Mechanika kwantowa mówi o właściwościach najmniejszych cząstek materii oraz w jaki sposób oddziałują one ze sobą. Inna gałąź fizyki – astrofizyka – zajmuje się tym, co dzieje się na przestrzeni całego znanego Wszechświata. Chociaż wydaje się, że badacze świata cząstek elementarnych i astrofizycy zajmują się zupełnie odmiennymi dziedzinami, naukowcy w obu tych dziedzinach współpracują ze sobą nawzajem. Kilka największych problemów fizyki łączy to, co bardzo duże i to, co bardzo małe.

Artykuł napisał Wiktor Matyszkiewicz.

Ziarna struktur kosmicznych

Przykładowo, obie te dziedziny pytają o rozszerzanie się Wszechświata u jego początków. W swoim biurze w Uniwersytecie Stanforda, Eva Silverstein analizuje matematyczne szczegóły najszybszego etapu tego procesu, zwanego inflacją kosmologiczną.

„Dla mnie temat jest szczególnie interesujący, ponieważ  pozwala nam zrozumieć pochodzenie kosmicznej budowy Wszechświata” – mówi Silverstein, profesor fizyki w Uniwersytecie Stanforda i Instytut Astrofizyki Cząstek i Kosmologii Kavli. „Ten paradygmat, znany jako inflacja, stanowi podstawę struktury w najprostszy i najpiękniejszy sposób, jaki fizyk mógłby sobie wyobrazić.”

Naukowcy uważają, że po Wielkim Wybuchu Wszechświat ochłodził się i najmniejsze cząstki zaczęły się łączyć w atomy wodoru. Proces ten uwalniał wcześniej uwięzione fotony – elementarne cząstki światła. Pozostałość po tym wydarzeniu – zwaną kosmicznym promieniowaniem tła – można wykryć na niebie do dzisiaj. Fizycy mierzą różne jego cechy, by dowiedzieć się więcej o tym, co wydarzyło się w ciągu tych pierwszych sekund po początku świata.

Fluktuacje temperatury kosmicznego promieniowania tła.

Zgodnie z modelami naukowymi, wzór uformowany początkowo na poziomie subatomowym stał się potem podbudową pod strukturę całego Wszechświata. Miejsca o większej gęstości materii – lub nawet tylko fluktuacje subatomowych cząstek – przyciągały coraz więcej i więcej materii. Gdy Wszechświat się rozrastał, te gęstsze obszary stały się „nasionami” dzisiejszych galaktyk.

Fizycy studiujący kosmiczne promieniowanie tła mają nadzieję dowiedzieć się o czymś więcej niż tylko o ewolucji Wszechświata – praca ta może dać im także wgląd w ciemną materię, ciemną energię oraz pomóc zbadać masę neutrin.

„To niesamowite, że możemy zobaczyć co działo się 14 miliardów lat temu” mówi Silverstein. „Nie dowiemy się wszystkiego, ale wciąż możemy wiele na temat zawartości i interakcji w młodym Wszechświecie.”

Dla wielu fizyków „chęć prześledzenia dziejów Wszechświata u jego początków jest nie do odparcia”, jak pisał Stephen Weinberg w 1977 w swojej książce „Pierwsze trzy minuty”. Noblista dodaje: „Od początku współczesnej fizyki w XVI i XVII wieku, fizycy i astronomowie raz po raz wracają do kwestii stworzenia Wszechświata”.

Poszukiwania w ciemności

Myśli, zarówno fizyków kwantowych jak i astrofizyków, zajmuje temat ciemnej materii i ciemnej energii. Astrofizycy chcą wiedzieć co stworzyło pierwotny Wszechświat i z czego składa się on obecnie. Z kolei fizycy kwantowi liczą na kolejne cząstki i oddziaływania do odkrycia.

„Ciemna materia stanowi większość materii we Wszechświecie, ale żadna z cząstek zawartych w Modelu Standardowym nie ma odpowiadających jej właściwości” mówi Michael Peskin, profesor fizyki teoretycznej SLAC (Centrum Liniowego Akceleratora Stanforda). „Ciemna materia powinna być słabo oddziałująca, ciężka lub wolno się poruszająca i stabilna na przestrzeni czasu życia Wszechświata.”

Istnieją silne dowody, że ciemna materia wywiera silny efekt grawitacyjny na galaktyki i gromady galaktyk. Według obserwacji, Wszechświat powinien składać się w pięciu procentach ze zwykłej materii, dwudziestu pięciu z ciemnej materii i siedemdziesięciu z ciemnej energii. Ale do dzisiaj naukowcom nie udało się bezpośrednio zaobserwować ciemnej materii i energii.

„Jest to rzecz najbardziej krępująca dla fizyki cząstek” stwierdza Peskin. „Jak dużo materii nie widzimy we Wszechświecie, jest pięć razy więcej ciemnej materii niż materii barionowej i nie mamy pojęcia czym ona jest.”

Graficzne wyobrażenie ciemnej materii.

Ale fizycy wykorzystują potężne urządzenia, aby odpowiedzieć na część pytań. Według Toma Rizzo –  starszego fizyka ze SLAC – w ciągu kilku ostatnich lat liczba modeli reprezentujących ciemną materię zwiększyła się wraz ze sposobami jej wykrywania.

Niektóre eksperymenty poszukują bezpośredniego oddziaływania między ciemną i zwykłą materią. Inne poszukują pośredniego dowodu istnienia ciemnej materii, ingerującej w inne procesy, lub „schowanej” w kosmicznym promieniowaniu tła. Jeśli ciemna materia ma odpowiednie własności, naukowcy mogliby teoretycznie stworzyć ją w akceleratorze cząstek, np. w takim jak Wielki Zderzacz Hadronów przy Genewie.

Fizycy prowadzą także aktywne badania w zakresie ciemnej energii. Być może da się zmierzyć jej właściwości na podstawie ruchu gromad galaktyk na największych dystansach w obserwowanym Wszechświecie.

„Za każdym razem, gdy uczymy się nowych sposobów obserwacji kosmosu, doznajemy wielu nowych niespodzianek” stwierdza Marcelle Soares-Santos, profesor Brandeis University i badacz DES (Dark Energy Survey). „Możemy wykorzystać te nowe możliwości badania Wszechświata do zwiększenia naszego stanu wiedzy o kosmologii i innych stronach fizyki.”

Władcze siły

Zainteresowania fizyków cząstek i astrofizyków są także zgodne w zakresie badań nad grawitacją. Dla fizyków cząstek jest jedyną podstawową siłą natury, której nie wyjaśnia Model Standardowy. Astrofizycy chcą zrozumieć rolę, jaką grawitacja odegrała (i wciąż odgrywa) w formowaniu się struktur Wszechświata.

W Modelu Standardowym każda siła ma dedykowaną cząstkę, zwaną nośnikiem oddziaływania podstawowego lub bozonem cechowania. Oddziaływania elektromagnetyczne mają fotony, oddziaływanie silne ma gluony, oddziaływania słabe ma bozony W i Z. Gdy cząstki wchodzą w interakcję za pomocą siły, wymieniają między sobą odpowiadające jej bozony, przekazując między sobą małe ilości informacji zwane kwantami, które naukowcy opisują za pomocą mechaniki kwantowej.

Oddziaływania podstawowe mają różny zasięg, dlatego silnych i słabych nie dostrzegamy na co dzień, choć bez nich świat jaki znamy by nie istniał.

Ogólna Teoria Względności tłumaczy, jak grawitacja działa dla wielkich obiektów – Ziemia przyciąga nas, a obiekty o wielkościach planet przyciągają siebie nawzajem. Ale nie wiemy, jak grawitacja działa na poziomie kwantowym. Odkrycie nośnika grawitacji pozwoliłoby stworzyć teorię kwantowej grawitacji, łączącej Teorię Względności z mechaniką kwantową.

W porównaniu do innych podstawowych sił, grawitacja oddziałuje z materią bardzo słabo, ale siła tych oddziaływań szybko rośnie wraz ze wzrostem energii. Teoretycy utrzymują, że przy odpowiednio wysokich energiach, takich jak te, które panowały u zarania Wszechświata, grawitacja kwantowa była tak silna jak pozostałe siły. Pełniła istotną rolę w przejściu kosmosu z równomiernie gęstego, gdzie procesy zachodziły tylko na poziomie kwantowym, do obecnego, pełnego wielkich procesów.

„Inny sposób, by efekty grawitacji były odczuwalne, to gdy proces trwa długi czas”  mówi Silverstein. „Nawet gdy energie nie są na tyle duże, by działać natychmiastowo.” Dlatego fizycy projektują doświadczenia o długim czasie trwania, by ujawnić te efekty.

Nasze rozumienie grawitacji jest także kluczowe dla wytłumaczenia tajemnicy ciemnej materii. Niektórzy fizycy uważają, że ciemna materia tak naprawdę nie istnieje. Twierdzą, że obserwacje, które poczyniliśmy są jedynie dowodem, że jeszcze nie rozumiemy w pełni grawitacji.

Wielkie pomysły, drobne szczegóły

Poszerzenie wiedzy o grawitacji może nam powiedzieć więcej o ciemnym kosmosie, co może dać nam także wgląd w pierwotny sposób formowania wielkich struktur kosmicznych.

„Fizycy starają się «zamknąć pętlę» pomiędzy fizyką cząstek i wczesnym Wszechświatem” mówi Peskin. „Gdy naukowcy przemierzają przestrzeń i «cofają się w czasie», mogą nauczyć się więcej o zasadach rządzących materią o wysokiej energii, a te z kolei mogą nam wiele powiedzieć o najmniejszych elementach naszego świata.”

Autor

Redakcja AstroNETu
Redakcja AstroNETu