elementy filozofii kosmologii andrzej Łukasik zakład ontologii i teorii poznania

Elementy filozofii kosmologii

Andrzej Łukasik

Zakład Ontologii i Teorii Poznania

Instytut Filozofii UMCS

http://bacon.umcs.lublin.pl/~lukasik

www.filozofia.umcs.lublin.pl

Zagadnienie nieskończoności czasowej i przestrzennej Wszechświata

Do lat dwudziestych XX wieku – Wszechświat jest wieczny i niezmienny (statyczny)

Czas i przestrzeń – niezmienna scena, po której poruszają się gwiazdy, planety i wszystkie ciała niebieskie (klasyczny, Newtonowski obraz

świata)

Albert Einstein – z rozwiązań równań ogólnej teorii względności (OTW) wynikało, że Wszechświat rozszerza się lub kurczy

Stała kosmologiczna λ w równaniach OTW (odpychanie grawitacyjne) miała zapewnić rozwiązania dające statyczny Wszechświat

…później uznał to za „największy błąd życia”

„Dziś wiemy, że nie da się skonstruować statycznego modelu nieskończonego Wszechświata, w którym siła ciążenia jest zawsze przyciągająca”

(Stephen Hawking)

www.umcs.filozofia.lublin.pl

http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/e/eb/Stephen_Hawking.StarChild.jpg

Zasada kosmologiczna

Ziemia nie zajmuje wyróżnionego miejsca we Wszechświecie

Wszechświat wygląda tak samo niezależnie od kierunku, w którym patrzymy i jest to prawdą niezależnie od punktu, z którego wykonywane są

obserwacje

Prawa fizyki obowiązujące na Ziemi są ważne w całym Wszechświecie

Zasada kosmologiczna dotyczy wielkoskalowej struktury Wszechświata – jest tym lepiej spełniona, im większe obszary Wszechświata

rozważamy


http://pl.wikipedia.org/wiki/Grafika:Nikolaus_Kopernikus.jpg

Kosmologia relatywistyczna

Baza obserwacyjna – astronomia pozagalaktyczna

Rozwiązania równań pola ogólnej teorii względności Einsteina (OTW – 1916, współczesna teoria grawitacji, zastępująca teorię Newtona)

Konstrukcja modeli kosmologicznych

Aleksander Friedman, 1922: ogólne jednorodne i izotropowe rozwiązanie równań Einsteina opisujące rozszerzanie się Wszechświata (równanie

Friedmana)

Georges Lamaître, 1927: hipoteza pierwotnego atomu – prekursor modelu Wielkiego Wybuchu


TcGRgR 4

821

2

22

38

akcG

aa

Ogólna teoria względności (Einstein, 1916) – rozszerzenie STW na układy nieinercjalne, uwzględnienie grawitacji

Ogólna zasada względności: prawa fizyki są lokalnie takie same dla wszystkich (inercjalnych i nieinercjalnych) układów odniesienia

Zasada równoważności: pole grawitacyjne jest lokalnie równoważne polu bezwładności


Czasoprzestrzeń i materia

w ogólnej teorii względności

Rozkład mas determinuje geometrię czasoprzestrzeni

(zakrzywienie czasoprzestrzeni)

Pole grawitacyjne zakrzywia tor promieni świetlnych (w obecności mas geometria przestrzeni przestaje być geometrią Euklidesa)

Pole grawitacyjne spowalnia bieg czasu


TcGRgR 4

821

Ucieczka galaktyk

Edwin Hubble (1929), jedno z największych odkryć naukowych XX w.

Linie widmowe galaktyk są przesunięte w stronę większych długości fal (w stronę czerwieni), w stosunku do tych, które są obserwowane w

laboratorium (przesunięcie ku czerwieni – ang. red shift)


Efekt Dopplera

Christian Andreas Doppler (1842)

Obserwowalna długość fali (dźwięku lub światła)

zależy od ruchu źródła fal względem obserwatora

Dla źródła spoczywającego: = cT

Dla źródła oddalającego się prędkością v: T’ = T + vT/c

Długość fali światła emitowanego przez źródło: = cT

Długość fali światła przybywającego do O: ’= cT’

’/ = T’/T = 1 + v/c


Prawo Hubble’a

v - prędkość, r – odległość, H0 = 73 km/s/Mpc - stała Hubble’a (1pc = 3,2616 roku świetlnego); 1 Mpc = 106 pc

Uwaga: ucieczka galaktyk a zasada kosmologiczna – galaktyki oddalają się od siebie nawzajem (Ziemia nie jest wyróżnionym

punktem)


rHv 0

Teoria Wielkiego Wybuchu

Ok. 13,7 mld lat temu cała materia skupiona była w jednym punkcie (początkowa osobliwość – nieskończenie wielka temperatura i gęstość

materii, zerowe rozmiary)

Na początku był Wielki Wybuch (ang. Big Bang) …

Wszechświat rozszerza się i stygnie – gdy rozmiary Wszechświata rosną dwukrotnie, temperatura spada o połowę

T = 1/H – wiek Wszechświata

„Przed” Wielkim Wybuchem nie było ani czasu ani przestrzeni

George Gamow, Ralph Alpher, Robert Hermann – zastosowanie znanej fizyki do badania wczesnych etapów ewolucji Wszechświata

1948: Wszechświat powinien być kiedyś bardzo gęsty i wypełniony promieniowaniem o wysokiej temperaturze

Promieniowanie to powinno obecnie mieć temperaturę kilku K – ochłodzone wskutek ekspansji Wszechświata

Wcześniej materia była „nieprzezroczysta” dla fotonów (fotony oddziaływały ze zjonizowanym gazem wodorowo-helowym)


Mikrofalowe promieniowanie tła

1965 – Arno Penzias i Robert Wilson (Bell Laboratories, New Jersey) – odkrycie mikrofalowego promieniowania o T = 2,7 K izotropowo

wypełniającego Wszechświat (podczas kalibracji anteny radiowej do komunikacji z satelitą Echo)

1978 – Nagroda Nobla

Robert Dicke i jego grupa z Princeton – interpretacja promieniowania mikrofalowego jako pozostałości po Wielkim Wybuchu

Pomiary natężenia promieniowania tła – 1989 satelita COBE (Cosmic Background Explorer)


Modele Friedmana


Modele Friedmana

To, który scenariusz odpowiada rzeczywistości zależy od gęstości materii we wszechświecie (10-29

g/cm3

– ok. 1 atom H na m3)

Najprawdopodobniej Wszechświat jest płaski (gęstość materii = gęstości krytycznej)

„Gdyby materię pochodzącą ze wszystkich galaktyk i gwiazd rozproszyć równomiernie w dzisiejszym Wszechświecie, to w każdym metrze

sześciennym znalazłby się mniej więcej jeden atom wodoru. Jest to o wiele doskonalsza próżnia, niż kiedykolwiek mogłaby być wytworzona w

ziemskim laboratorium. Nasza przestrzeń jest głównie właśnie — pustą przestrzenią” (J. Barrow, Początek wszechświata, s. 53).


Era Plancka

od Wielkiego Wybuchu do czasu Plancka t = 10-43

s

(era kwantowej grawitacji, kosmologii kwantowej)

Symetria i unifikacja wszystkich oddziaływań (grawitacji, elektromagnetycznych, silnych i słabych jądrowych) – jedno „superoddziaływanie”

Przy gęstości materii >10 94

g/cm3

i T = 1033

K nie obowiązują znane nam prawa fizyki

Potrzebna jest synteza mechaniki kwantowej z ogólną teorią względności – kwantowa teoria grawitacji

Pod koniec ery Plancka, gdy spada gęstość i temperatura, oddzielają się oddziaływania grawitacyjne i zaczynają obowiązywać znane nam prawa

fizyki


„Pomimo swej nazwy, teoria Wielkiego Wybuchu nie dotyczy wcale samego wybuchu. W rzeczywistości jest tylko teorią jego następstw.

Równania tej teorii opisują, w jaki sposób pierwotna kula ognista rozszerzała się, ochładzała i zagęszczała, tworząc galaktyki, gwiazdy i planety.

Samo to jest już ogromnym osiągnięciem. Niemniej standardowa teoria Wielkiego Wybuchu nie mówi nic o tym, co wybuchło, dlaczego wybuchło

ani co działo się przedtem”. Alan H. Guth, Wszechświat inflacyjny. W poszukiwaniu nowej teorii pochodzenia kosmosu , Warszawa 2000, s. 15


Era hadronowa

od czasu Plancka t = 10-43

s do t = 10-4

s

t = 10-35

s – oddziela się silne oddziaływanie jądrowe

t = 10-12

s, T = 1015

– oddziaływanie elektrosłabe rozpada się na elektromagnetyczne i słabe (odtąd istnieją 4 odrębne oddziaływania)

t = 10-6

s, T = 1013

– z kwarków powstają hadrony (proton, neutron, piony…) i antyhadrony

t = 10-4

s – anihilacja hadronów w promieniowanie (E = mc2

)

Pozostaje niewielka nadwyżka hadronów nad antyhadronami (stanowi obecnie całą materię, która wypełnia Wszechświat)


Inflacja

od t = 10-35

s do t = 10-32

s

Gwałtowne (wykładnicze) rozszerzanie się Wszechświata

Alan Guth (1979)

Inflacja wyjaśnia dlaczego jest:

1. płaski (euklidesowy)

2. jednorodny

Przestrzeń Wszechświata powiększyła się 1030

(lub 1050

) razy (sto milionów miliardów miliardów razy), czyli tyle ile w ciągu pozostałej 13,7 mld

lat trwającej ewolucji

Obserwowalny Wszechświat – ok. 100 mld lat świetlnych średnicy

Wszechświat (wszystko, co istnieje) może być znacznie większy…


Era leptonowa

od t = 10-4

s do t = 10 s

t = 10-4

s, T = 1012

K – tworzą się leptony (elektrony, neutrina i ich antycząstki)

Rozpoczyna się nukleosynteza – postają jądra He

Gdy t = 2 s neutrina przestały oddziaływać z resztą materii – powstaje tło neutrinowe (obecnie o. 100 neutrin/cm3, T= 2 K)


Era promienista

t = 10 s do t = 1 mld lat

Elektrony i pozytony anihilują, zamieniając się w promieniowanie elektromagnetyczne

Po ok. 400 000 latach następuje oddzielenie promieniowania od materii (nie oddziałuje już silnie z materią), materia staje się „przezroczysta” dla

promieniowania (obserwowane dziś jako mikrofalowe promieniowanie tła o T = 2,7 K; odkrycie: Penzias i Wilson, 1965)

T = 104 – rekombinacja: powstają pierwsze atomy H (75%) i He (25%)

anihilacja:

cząstka + antycząstka → promieniowanie

e + e+ → 2γ


Era galaktyczna

od t = 1 mld lat do teraz

Składniki materii = atomy H i He

Pod wpływem przyciągania grawitacyjnego po ok. 400 (może nawet 200) mln lat tworzą się pierwsze gwiazdy i galaktyki

W gwiazdach powstają ciężkie pierwiastki (synteza H w He, w późniejszym etapie ewolucji gwiazdy – następuje przemiana helu w węgiel, azot,

krzem, fosfor i inne pierwiastki istotne m.in. dla ewolucji biologicznej)

„Każdy atom węgla w naszym ciele powstał w gwiazdach”.J. Barrow, Początek Wszechświata, s. 26


Przyspieszanie ekspansji i ciemna materia

Najnowsze obserwacje: tempo ekspansji Wszechświata wzrasta

Co powoduje przyspieszenie?

Ponowne wprowadzenie stałej kosmologicznej do OTW

Jedynie 5% zawartości Wszechświata stanowi zwykła materia (barionowa)

ok. 95% Wszechświata stanowi ciemna materia i ciemna energia

Ciemna materia (ok. 25%)

MACHO (masywne zwarte obiekty halo galaktycznego – wygasłe gwiazdy: czerwone, brązowe i białe karły, gwiazdy neutronowe, czarne

dziury?

WIMP (słabo oddziałujące masywne cząstki – aksjony, cząstki supersymetryczne)?

Neutrina z niezerową masą spoczynkową?

Ciemna energia (ok. 70%) – nieznany dotąd rodzaj energii odpowiedzialny za przyspieszanie ekspansji Wszechświata (związana ze stałą

kosmologiczną)


Problem początkowej osobliwości

Według standardowego modelu Wielkiego Wybuchu ewolucja Wszechświata rozpoczęła się od początkowej osobliwości.

W osobliwości załamują się wszystkie znane prawa fizyki - trajektorie czasoprzestrzenne (linie świata) cząstek urywają się (nie można ich

przedłużać nieograniczenie wstecz w czasie), co oznacza że czasoprzestrzeń m a brzeg, co jest „poza brzegiem” czasoprzestrzeni, nie można

stwierdzić żadnymi znanymi obecnie środkami matematycznymi

czas, jak i przestrzeń powstały w Wielkim Wybuchu, na gruncie modelu standardowego nie można w sposób sensowny postawić pytania, co było

„przedtem”.

Czy „cała materia była obecna od samego początku” (zatem istniała wiecznie, chociaż być może w nieznanej nam postaci), czy był to absolutny

początek bytu fizycznego.


Wielki Wybuch a kreacja

„Kosmologia pozostaje więc neutralna wobec zagadnienia stworzenia świata przez Boga – wynika to z podstawowej zasady, jaką musi

respektować każda dziedzina wiedzy naukowej, to znaczy z zasady naturalizmu metodologicznego. Zgodnie z tą zasadą, nauka musi

wyjaśniać wszechświat samym wszechświatem i nie może w tym wyjaśnianiu odwoływać się do czynników nadprzyrodzonych”.M. Heller, T.

Pabjan, Elementy filozofii przyrody, s. 169-170


Teoria stanu stacjonarnego

Hermann Bondi, Thomas Gold, Fred Hoyle (1948) – koncepcja usiłująca uniknąć pierwotnej osobliwości (i tezy o absolutnym początku bytu

fizycznego)

Doskonała zasada kosmologiczna: połączenie zasady kosmologicznej i postulatu stacjonarności, zgodnie z którym zarówno prawa fizyki, jak i

wszelkie wielkoskalowe charakterystyki Wszechświata nie zmieniają się w czasie

Hipoteza: w miarę, jak galaktyki oddalają się od siebie, w pustych obszarach powstają stale nowe zbudowane z ciągle tworzonej materii (ok. 1

cząstki na km3 na rok; 1 atom wodoru na m

3 na miliard lat)

liczba galaktyk na jednostkę objętości powinna być taka sama zawsze i wszędzie we wszechświecie

Wszechświat jest niezmienny w czasie — zawsze taki sam

Poświęcenie zasady zachowania energii

Odkrycie mikrofalowego promieniowania tła (1965) – falsyfikacja teorii stanu stacjonarnego


Model oscylującego Wszechświata

Richard C. Tolman

Wszechświat po okresie ekspansji przechodzi do kontrakcji, po której ponownie rozpoczyna się faza ekspansji - i cykl ten trwa w nieskończoność.

Każda faza ewolucji zaczyna się i kończy osobliwością.

W modelu tym Wszechświat jako całość nie ma zatem początku czasowego - trwa nieskończenie długo w czasie i w tym znaczeniu jest

odwieczny i wieczny, chociaż wskutek pojawiania się osobliwości każdy cykl „zaciera” informację na temat cyklu go poprzedzającego.


Czas Plancka i długość Plancka

zgodnie z ogólną teorią względności Wszechświat rozpoczął się od początkowej osobliwości, a w osobliwości załamują się wszystkie znane

prawa fizyki.

do najwcześniejszych etapów ewolucji Wszechświata (faza ta określana jest jako era Plancka) nie można stosować „zwykłych” pojęć czasu i

przestrzeni.

czas Plancka

długość Plancka

Poniżej tych wartości pojęcia czasu i przestrzeni przestają mieć fizyczny sens - żaden „zegar” nie może zmierzyć czasu krótszego niż czas

Plancka, podobnie jak żadną „linijką” nie można zmierzyć odległości mniejszej niż odległość Plancka. Poniżej skali Plancka zatem pojęcia takie,

jak „przeszłość”, „teraźniejszość” i „przyszłość”, również tracą sens. Nie można też określić relacji „przed–po” ani wprowadzić strzałki czasu.


scGtP445 10/

scGt p

445 10

m

cGl p

353 10

Model Hartle’a-Hawkinga

Prawa obowiązujące w skali Plancka, powinny być określone przez kwantową teorię grawitacji.

wprowadzenie koncepcji czasu urojonego

Znika różnica między czasem a przestrzenią

początek świata nie ma charakteru osobliwości, w której urywałyby się trajektorie cząstek i przestały obowiązywać prawa fizyki.

poglądowa ilustracja - siatka geograficzna: biegun jest pewnym wyróżnionym punktem, ale nie występuje w nim brzeg przestrzeni.

„Można powiedzieć: «warunkiem brzegowym dla Wszechświata jest brak brzegów». Taki Wszechświat byłby całkowicie samowystarczalny i nic z

zewnątrz nie mogłoby nań wpływać. Nie mógłby być ani stworzony, ani zniszczony. Mógłby tylko BYĆ”.

Z filozoficznego punktu widzenia model Hartle’a-Hawkinga Wszechświata bez brzegów można zapewne uznać za realizację modelu

eternalistycznego (parmenidesowego) - jest to koncepcja „bezczasowej” czasoprzestrzeni (timeless space-time).


scGtP445 10/

Wielki Wybuch jako fluktuacja kwantowej próżni

Zasada nieoznaczoności dla energii i czasu

model chaotycznej inflacji (Andriej Linde): nasz Wszechświat nie jest „wszystkim, co istnieje”, ale tylko jednym z nieskończenie wielu

wszechświatów, powstających z kwantowej próżni w procesach podobnych do Wielkiego Wybuchu

„Wszechświaty w nieskończonej liczbie wyłaniają się z siebie wzajem oraz z bardziej podstawowego substratu, który w pewnym sensie nazwać

można odwiecznym i wiecznym, chociaż każdy z owych wszechświatów ma własną czasoprzestrzeń, ma czasowy początek i własną ewolucję.

Ten właśnie substrat i to, co z niego wyrasta, zasługuje zdaniem Lindego na miano wszechświata we właściwym sensie tego słowa. Jest on

«nieustannie rosnącym fraktalem»”.

Tak rozumiany byt fizyczny jest odwieczny i wieczny, natomiast poszczególne wszechświaty, w których wartości stałych fizycznych mogą być

różne (mogą w nich zatem istnieć inne niż w naszym elementarne składniki materii i panować różne od znanych nam prawa przyrody), są tylko

czasowymi przejawami owego wieloświata (multiverse).


scGtP445 10/

2

tE 22mcE

Koncepcje wieloświata (Multiverse)

Scenariusz samoreprodukującego się wszechświata Lee Smolin: procesy kolapsu grawitacyjnego, takie jak te, które prowadzą do powstania

czarnych dziur, skutkują powstaniem nowego wszechświata, całkowicie odrębnego od naszego

inne wszechświaty mogą mieć różne wymiary czasoprzestrzeni, różne elementarne składniki materii i różne prawa przyrody

(Many Worlds Interpretation) sformułowana przez Hugh Everetta III w roku 1957. Według Everetta w procesie pomiaru nie występuje redukcja

funkcji falowej, ale realizują się wszystkie zawarte w niej możliwości - każda z nich w innym świecie. Zatem każde oddziaływanie mające

charakter pomiaru prowadzi w sensie dosłownym do rozszczepienia Wszechświata na tyle gałęzi, ile możliwych stanów zawierała funkcja falowa.

Wszechświaty te istnieją dalej całkowicie niezależnie od siebie, we wszystkich obowiązują te same prawa fizyki, a poszczególne „gałęzie” różnią

się od siebie historiami. Zwolennikiem interpretacji zaproponowanej przez Everetta jest między innymi David Deutsch


scGtP445 10/

Zasada antropiczna

Koncepcja wyprowadzająca wnioski dotyczące wszechświata i obowiązujących w nim praw przyrody (B. Carter, 1973)

Stałe fizyczne (i prawa przyrody) nie mogą być dowolne, by istniał człowiek

R. H. Dicke (1961) – aby mógł się pojawić człowiek np. musi istnieć węgiel, który powstał w gwiazdach (życie nie mogło się pojawić przed

powstaniem gwiazd); muszą istnieć gwiazdy, które są źródłem energii (życie nie może istnieć w epoce po wypaleniu się gwiazd…)

Słaba zasada antropiczna – obserwujemy wszechświat takie a nie inny i w takiej a nie innej epoce, ponieważ w innych epokach nie moglibyśmy

istnieć

Mocna zasada antropiczna – wszechświat musi być taki, aby dopuszczał w pewnym etapie istnienie rozumnych obserwatorów (czy

Wszechświat został „zaprojektowany”?)


scGtP445 10/

Wszechświat w liczbach

wiek Wszechświata — 13,7 mld lat

Układ Słoneczny i Ziemia — 4,6 mld lat

najstarsze skamieniałe bakterie — 3 mld lat

dinozaury — 230 mln lat temu

Droga Mleczna — dysk o średnicy 80 000 i grubości 6000 lat świetlnych, M = 100 miliardów Ms

Układ Słoneczny — ok. 30 000 lat świetlnych od centrum, dysk wiruje 250 km/s

Najbliższa gwiazda — Proxima Centauri — 4 lata świetlne

Słońce jest przeciętną gwiazdą na brzegu jednego z ramion galaktyki spiralnej ok. 35 000 lat świetlnych o jej centrum.


scGtP445 10/

Stała kosmologiczna

2000 r. – odkrycie, że galaktyki oddalają się coraz szybciej

Niezgodność z Modelami Friedmanna

Hipoteza: stała kosmologiczna (którą Einstein wprowadził do swoich równań i uznał za „największy błąd w życiu”) ma niezerową wartość, co

oznacza wprowadzenie grawitacyjnego odpychania się galaktyk na wielkich odległościach


scGtP445 10/

Nierozwiązane problemy kosmologii

„zwykła materia” (czyli ta, którą opisuje model standardowy) to jedynie ok. 4% zawartości Wszechświata

ok. 23% zawartości Wszechświata - ciemna materia (materia, która nie emituje promieniowania elektromagnetycznego)

hipotetyczne subatomowe cząstki, zwane aksjonami

ząstki supersymetryczne

neutrina.

Według innych hipotez:

duże obiekty zwane MACHO (massive compact halo objects) – ciała wielkości co najmniej Jowisza, które nie są jednak wystarczająco

masywne, aby stać się gwiazdami i nie emitują promieniowania elektromagnetycznego

czarne dziury.

Problem antymaterii: podczas Wielkiego Wybuchu materia i antymateria były produkowane w takiej samej ilości. Dlaczego Wszechświat

składa się niemal wyłącznie z materii?


scGtP445 10/

Pytania kontrolne

1. Co to jest zasada kosmologiczna?

2. Na czym polega zakrzywienie czasoprzestrzeni?

3. Na czym polega ucieczka galaktyk?

4. Co to jest efekt Dopplera i przesunięcie ku czerwieni?

5. Sformułuj prawo Hubble’a.

6. Co to jest mikrofalowe promieniowanie tła?

7. Opisz główne etapy ewolucji Wszechświata według teorii Wielkiego Wybuchu.

8. Co to jest początkowa osobliwość i jakie filozoficzne problemy są z nią związane?

9. Przedstaw podstawowe założenia modelu stanu stacjonarnego.

10. Co to są modele Friedmana?

11. Co to jest wieloświat?

12. Sformułuj zasadę antropiczną (wersja mocna i słaba).

13. Co to jest stała kosmologiczna.

14. Przedstaw główne hipotezy na temat ciemnej energii i ciemnej materii.

15. Na czym polega problem antymaterii?



Literatura

S. Hawking, Krótka historia czasu. Od Wielkiego Wybuchu do czarnych dziur

S. Weinberg, Pierwsze trzy minuty

J. D. Barrow, Początek Wszechświata

P. Davies, Ostatnie trzy minuty

A. Liddle, Wprowadzenie do kosmologii współczesnej

L. M. Krauss, Fizyka podróży międzygwiezdnych

J. Such, M. Szczęśniak, A. Szczuciński, Filozofia kosmologii

A. Guth, Wszechświat inflacyjny

elementy filozofii kosmologii andrzej Łukasik zakład ontologii i teorii poznania

Documents