Tłumaczenie: Małgorzata Koraszewska

7.4 Wielki Wybuch

Osobliwość w momencie Wielkiego Wybuchu miała tak małe wymiary przestrzenne, że całkowicie dominowały efekty mechaniki kwantowej ogólnie, a zasady nieoznaczoności Heisenberga szczególnie. Istnieje pogląd, że wszechświat narodził się z fluktuacji kwantowej. Fluktuacja kwantowa w pędzie (Δp) lub energia kinetyczna dozwolona przez zasadę Heisenberga (z powodu znikomo małych wymiarów przestrzennych Δx w momencie osobliwości) była wystarczająco duża, by wyjaśnić niezmierną ilość energii we wszechświecie. Przestrzeń i czas były silnie skręcone na początku. Sama przestrzeń eksplodowała, a jej dynamikę dla późniejszych momentów czasu wyjaśniły geometryczne prawa ogólnej względności Einsteina.

Jak energia może powstać z niczego i w jaki sposób ciągle wzrasta, kiedy wszechświat rozszerza się? Jestem tutaj na niepewnym gruncie, ponieważ eksperci jeszcze nie zgodzili się co do tego, co się naprawdę zdarzyło. Niezależnie od tego, co powiedziałem powyżej, (a co może być sporne) oto możliwa odpowiedź dana przez Setha Lloyda (2006) w książce Programming the Universe: „Mechanika kwantowa opisuje energię w kategoriach pól kwantowych, rodzaju leżącej u podstaw tkaniny wszechświata, której splot składa się z cząstek elementarnych - fotonów, elektronów, kwarków. Energia, która widzimy wokół nas — w postaci Ziemi, gwiazd, światła, ciepła — została wyciągnięta z leżących u podstaw pól kwantowych przez rozszerzanie się naszego wszechświata. Grawitacja jest siłą przyciągania, która ściąga rzeczy razem… W miarę rozszerzania się wszechświata (co nadal się dzieje) grawitacja wysysa energię z pól kwantowych. Energia w polach kwantowych jest niemal zawsze dodatnia i ta dodatnia energia jest dokładnie równoważona przez negatywną energię grawitacyjnego przyciągania. W miarę postępującego rozszerzania się dostępne jest coraz więcej energii dodatniej w postaci materii i światła — kompensowane przez energię negatywną w przyciągającej sile pola grawitacyjnego". Lloyd podkreśla komplementarne role energii i informacji w kosmicznej ewolucji złożoności: „Energia powoduje, że układy fizyczne robią rzeczy. Informacja mówi im, co robić".

7.5 Natura nie znosi gradientów

Dla zrozumienia kosmicznej ewolucji złożoności pomocne jest zapamiętanie faktu, że „Natura nie znosi gradientów". Zazwyczaj nie jest to stwierdzane jako prawo nauki, ale jest to wyraźną konsekwencją „oficjalnych" zasad termodynamiki. Daje to inną perspektywę na pytanie, dlaczego zachodzi postęp ewolucyjny. Wszyscy wiemy, jak trudno jest utrzymać próżnię w naczyniu. Natura nie znosi próżni i zapełnia pustą przestrzeń dowolną cząstką, która znajdzie się w pobliżu. Naprawdę dzieje się to, że istnieje tam gradient ciśnienia i ten gradient zostaje zniszczony w nieodwracalny sposób, zgodnie z drugą zasadą termodynamiki. W rzeczywistości sama druga zasada nie jest niczym innym jak stwierdzeniem o spontanicznej destrukcji gradientów takich jak gradienty termalne, gradienty ciśnienia, gradienty koncentracji itd.

Możemy więc uogólnić i powiedzieć, że Natura nie znosi wszelkiego typu gradientów. W szczególności należy zauważyć, że kiedy system zostaje odepchnięty od stanu równowagi termodynamicznej przez dopływ energii i/lub materii, tworzy się gradient. Jak omawiałem w Części 3 i Części 6, jeśli odejście od równowagi nie jest zbyt duże, Natura przywraca równowagę niszcząc gradient. Jeśli jednak odejście od równowagi jest zbyt duże, wówczas układ nie jest w stanie powrócić do starej konfiguracji równowagi i musi szukać nowego stabilnego stanu lub stanu równowagi. Co więcej, ponieważ odejście od równowagi jest duże, układ ma tendencję do znajdowania bardziej skutecznych sposobów niszczenia gradientów, a z tego wynika tworzenie się wzorów i emergentnych zjawisk lub struktur, tak charakterystycznych dla złożoności. Pomyśl tylko o wirze lub, jeśli znasz te sprawy, o regularnym wzorze tworzonym przez tak zwaną niestabilność Bénarda.

7.6 Kosmiczna ewolucja złożoności

Chaisson (2001) identyfikuje trzy ery w kosmicznej ewolucji złożoności. Na początku było tylko promieniowanie z tak wysoką gęstością energii, że w zasadzie we wszechświecie nie było żadnej struktury ani treści informacyjnej; była to czysta energia. W miarę jak wszechświat ochładzał się i rozcieńczał zaszła istna przemiana fazowa lub bifurkacja w trajektorii faza-przestrzeń, w wyniku czego wyłoniła się materia współistniejąca z promieniowaniem. To zaznaczyło początek drugiej ery, w której wysoki odsetek energii zawarł się w materii zamiast w promieniowaniu. Trzecią erę zwiastowało pojawienie się "technologicznie manipulujących istot".

Gdy po Wielkim Wybuchu rozszerzała się bardzo gorąca plazma, równocześnie ochładzała się. Temperatura wynosiła ~10³²K w 10^-43 sekundy po Wielkim Wybuchu. Na tym etapie pojawiła się grawitacja. Około 10^-34 sekundy później temperatura wynosiła ~10²⁷K i pojawiła się materia w postaci kwarków, leptonów, bozonów i kilku innych cząstek elementarnych. Pojawiła się także „antymateria". Pojawienie się materii można przypisać fluktuacjom kwantowym gęstości wszechświata, wzmocnionymi przez efekty grawitacji. Nawet maleńki wzrost lokalnej gęstości mógł przyciągnąć ku sobie więcej materii z odpowiednim obniżeniem otaczającej gęstości.

Około 10^-10 sekund później elektrosłaba interakcja podzieliła się na elektromagnetyczną interakcję i słabą interakcję (kolejne łamiące symetrię przejście fazowe lub bifurkacja, jak tyle innych w ewolucji kosmicznej, z towarzyszącym wzrostem stopnia złożoności). Temperatura około 10^-512K. To wtedy kwarki stworzyły protony i neutrony, antykwarki stworzyły antyprotony. Kolizje między protonami i antyprotonami pozostawiły głównie protony, jak również fotony. Mniej więcej sekundę później zaszły kolizje między elektronami i pozytronami, zostawiając głównie pozytrony. Mniej więcej kolejną sekundę później, przy temperaturze ~10⁹K, neutrony i protony mogły się zlać, tworząc jądra takie jak te w helu, licie oraz (ciężkich) izotopach wodoru. Sekundy później temperatura spadła do ~10.

Mniej więcej dziesięć milionów lat po Wielkim Wybuchu zaszło wystarczające ochłodzenie, by wypełnić wszechświat mgiełką cząstek, zawierających głównie wodór i trochę helu, jak również pewne cząstki elementarne włącznie z neutrino, nieco elektromagnetycznego promieniowania i być może jakieś inne, nieznane cząstki. Wszechświat na tym etapie był zimny, ciemny i bezkształtny. Wtedy jakieś pierwotne, kwantowo-mechaniczne fluktuacje w gęstościach cząstek spowodowały zbijanie się niektórych cząstek, dość podobnie do enukleacji, która poprzedza powstanie kryształu z płynu. Obecność takich zbitych cząstek nagle uwidoczniła siły grawitacyjne, prowadząc do efektu kaskadowego. Części mgły zaczęły zapadać się w olbrzymie kłębiące się chmury. W ciągu kilkuset milionów lat uformowały się i zaczęły świecić olbrzymie galaktyki, każda zawierająca miliardy młodych gwiazd rozmaitych rozmiarów. Zniknęła bezkształtna ciemność początkowego okresu.

Wielkie gwiazdy między nimi były silnie jaśniejącymi kulami, a ta jasność pochodziła z fuzji wodoru i helu w ich wnętrzu, co umożliwiały panujące tam ekstremalne temperatury i ciśnienie. W ten sposób we wnętrzu tych dużych gwiazd powstały cięższe pierwiastki. Wyłanianie się cięższych pierwiastków w procesie fuzji jądrowej trwało do początków formowania się żelaza. Jądro żelaza jest z nich wszystkich najbardziej stabilne. Żelazo nie może zlać się z jednym lub więcej nukleonami i uwolnić radiacyjną energię fuzji jądrowej. Jego obecność działa jak trucizna na proces fuzji jądrowej. Tak więc pojawienie się żelaza oznaczało początek końca dostępnego paliwa jądrowego i dlatego też koniec życia gwiazdy. W odpowiednim czasie mniejsze gwiazdy po prostu przestawały świecić, kurcząc się w zimne i martwe byty.

Większe gwiazdy oczekiwał jednak bardzo odmienny los. Niezdolne dłużej do podtrzymywania swoich rozmiarów z powodu stopniowo malejących procesów fuzji jądrowej pierwiastków, zaczęły zapadać się pod niezmierną siłą grawitacyjną. W ich wnętrzu zaszła nagła zmiana. Pod olbrzymim naciskiem tworzonym przez kolaps grawitacyjny, rdzenie atomów żelaza implodowały. Z tego wynikł nowy stan materii, kiedy elektrony i protony w atomach zostały ściśnięte razem. Dominującym procesem interakcji była teraz elektrosłaba interakcja, w której protony i elektrony reagowały wytwarzaniem neutronów i elektronów neutrino. Kolaps prowadził do kompresji gwiazdy w skrajnie gęstą kulę czystej materii neutronowej. Równocześnie wybuchała chmura neutrino, powodując eksplozję (eksplozję supernowej) z zewnętrznej skorupy gwiazdy. W ten sposób nowo zsyntetyzowane pierwiastki (aż do żelaza) znajdujące się w zewnętrznej warstwie gwiazdy, były rozrzucane we wszechświecie w towarzystwie jaskrawego błysku.

Konsekwencją takich eksplozji supernowych (które nadal zdarzają się od czasu do czasu i oświetlają galaktyki jaskrawymi rozbłyskami) było pojawienie się chmur pyłu i gazu oraz resztek zawierających ciężkie pierwiastki. Te chmury otaczały galaktyki spiralami jak ramionami. Intensywność eksplozji była tak wysoka, że tworzyły się także pierwiastki cięższe niż żelazo i wylatywały w przestrzeń.

W zewnętrznej części spirali zachodziła kondensacja pyłu, chmur i resztek, z wynikającym z tego tworzeniem się drugiej generacji (mniejszych) gwiazd (włącznie z naszym Słońcem), jak również planet, księżyców, komet, asteroidów itp. Nasz system słoneczny uformował się, kiedy wszechświat miał ~9 miliardów lat. W początkowym okresie nasza Ziemia przeszła kilka gwałtownych wstrząsów (bombardowanie kometami i meteorami, jak również wielkie trzęsienia ziemi i erupcje wulkaniczne). Kiedy Ziemia miała ~2,5 miliarda lat, uformowały się kontynenty. Z czasem pojawiło się życie.

7.7 Dlaczego jest tak dużo złożoności we wszechświecie?

W momencie Wielkiego Wybuchu zawartość informacyjna wszechświata prawdopodobnie wynosiła zero, zakładając, że istniał tylko jeden możliwy stan początkowy i tylko jeden spójny wewnętrznie zestaw praw fizycznych. Istnienie informacji oznacza, że istnieją dostępne alternatywy; np. 0 albo 1. Jeśli nie było alternatywy dla stanu początkowego wszechświata, to jego opis nie wymagał żadnych bitów informacji. Wkrótce po tym, jak zaczęły się przestrzeń i czas, pola kwantowe zawierały bardzo mało informacji i energii. Tak więc, na początku, złożoność efektywna, głębia logiczna i głębia termodynamiczna (por. Część 5) wszystkie wynosiły zero lub niemal zero. Ten pogląd jest zgodny z faktem, że wszechświat wyłonił się z niczego.

Zobacz komentarze (10)..

Wyślij tekst mailem..

Wersja do druku    PDF    MS Word

Vinod K. Wadhawan Induski emerytowany fizyk atomowy, współwydawca portalu PHASE TRANSITIONS, publicysta, autor wielu książek.  Strona www autora  Liczba tekstów na portalu: 16  Pokaż inne teksty autora  Najnowszy tekst autora: Złożoność wyjaśniona. Część 15