Filozofia przyrody Wykład 10. Elementy filozofii kosmologii

1. Filozofia przyrodyWykład 10. Elementy filozofii kosmologii Andrzej Łukasik Instytut Filozofii UMCS http://bacon.umcs.lublin.pl/~lukasik lukasik@bacon.umcs.lublin.pl

2. 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) 2011 Rok Marii Curie-Skłodowskiej

3. Zasada kosmologiczna (kopernikańska) • 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 2011 Rok Marii Curie-Skłodowskiej

4. 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 2011 Rok Marii Curie-Skłodowskiej

5. 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

6. Ogólna teoria względności – powiązanie własności czasu i przestrzeni z rozkładem materii Potwierdzenia – np. GPS

7. Rozkład mas zakrzywia czasoprzestrzeń

8. 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) 2011 Rok Marii Curie-Skłodowskiej

9. 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 2011 Rok Marii Curie-Skłodowskiej

10. Prawo Hubble’a v = H0 r 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) 2011 Rok Marii Curie-Skłodowskiej

11. 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 2011 Rok Marii Curie-Skłodowskiej

12. 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) 2011 Rok Marii Curie-Skłodowskiej

13. Kosmiczne 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)

14. Modele Friedmana

15. 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). 2011 Rok Marii Curie-Skłodowskiej

16. 1. 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 2011 Rok Marii Curie-Skłodowskiej

17. „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 2011 Rok Marii Curie-Skłodowskiej

18. 2. 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) 2011 Rok Marii Curie-Skłodowskiej

19. Inflacja (od t = 10-35 s do t = 10-32 s) • Obserwowalny Wszechświat – ok. 100 mld lat świetlnych średnicy • Wszechświat (wszystko, co istnieje) może być znacznie większy… • 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 2011 Rok Marii Curie-Skłodowskiej

20. 3. 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) 2011 Rok Marii Curie-Skłodowskiej

21. 4. Era promienista (od t = 10 s do t = 1 mld lat) anihilacja: cząstka + antycząstka → promieniowanie e + e+ → 2γ • 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%) 2011 Rok Marii Curie-Skłodowskiej

22. 5. 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 2011 Rok Marii Curie-Skłodowskiej

23. Przyspieszanie ekspansji i problem ciemnej materii • 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) 2011 Rok Marii Curie-Skłodowskiej

24. Wielki Wybuch a stworzenie świata przez Boga • „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 2011 Rok Marii Curie-Skłodowskiej

25. Teoria stanu stacjonarnego • Hermann Bondi, Thomas Gold, Fred Hoyle (1948) – koncepcja usiłująca uniknąć pierwotnej osobliwości • 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 m3 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. 2011 Rok Marii Curie-Skłodowskiej

26. Model Hartle’a-Hawkinga • W erze Plancka czas staje się jednym z wymiarów przestrzeni – znika „początek czasu”, a zatem osobliwość • Wszechświat nie istnieje odwiecznie, wyłania się z kwantowej próżni (tunelowanie świata z nicości) 2011 Rok Marii Curie-Skłodowskiej

27. 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”?) 2011 Rok Marii Curie-Skłodowskiej

28. Wieloświat (multiverse) • Nasz Wszechświat jest tylko jednym z wielu (może nieskończenie wielu) wsześchwiatów równoległych, które są tak samo realne, jak nasz. • W różnych wszechświatach wartości stałych fizycznych i warunków początkowych mogą być różne. • Zycie (i rozumni obserwatorzy) mogą istnieć tylko w szczególnych światach, które sprzyjają ich zaistnieniu. 2011 Rok Marii Curie-Skłodowskiej

29. wiek Wszechświata — 13,7 mld lat • dinozaury — 230 mln lat temu • najstarsze skamieniałe bakterie — 3 mld lat • Układ Słoneczny i Ziemia — 4,6 mld lat 2011 Rok Marii Curie-Skłodowskiej

30. 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. 2011 Rok Marii Curie-Skłodowskiej

31. 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 2011 Rok Marii Curie-Skłodowskiej

32. „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 • ząstkisupersymetryczne • 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. 2011 Rok Marii Curie-Skłodowskiej

33. Ciemna energia, stanowiąca ok. 73% zawartości Wszechświata, miałaby równomiernie wypełniać całą przestrzeń i być odpowiedzialna obserwowane przyspieszanie ekspansji Wszechświata • Problem antymaterii: podczas Wielkiego Wybuchu materia i antymateria były produkowane w takiej samej ilości. Dlaczego Wszechświat składa się niemal wyłącznie z materii? 2011 Rok Marii Curie-Skłodowskiej

34. Pytania kontrolne • Sformułuj ogólną zasadę względności Einsteina (zasadę równoważności) • Co to jest zasada kosmologiczna • Omów przesunięcie ku czerwieni, ucieczkę galaktyk i prawo Hubble’a • Jakie znaczenie dla modelu Wielkiego Wybuchu miało odkrycie mikrofalowe go promieniowania tła • Co to są modele Friedmana i jaki jest ich związek z geometrią czasoprzestrzeni • Opisz model standardowy Wielkiego Wybuchu • Co to jest zasada antropiczna (wersja słaba i mocna) • Omów nierozwiązane problemy współczesnej kosmologii 2011 Rok Marii Curie-Skłodowskiej