Cosmologia cuantica

Cosmologia cuantica este o ramura oarecum speculativa a cosmologiei care incearca sa studieze efectul mecanicii cuantice in formarea Universului sau să descrie primele momente ale evolutiei Universului (originea informatiilor fizice in Univers, adica informatiile continute intr-un sistem fizic), imediat dupa producerea Big-Bang-ului, considerandu-l drept un obiect cuantic, adica, descris de legile mecanicii cuantice și de teoria cuantica a campului. Această disciplină poate fi văzuta ca o ramură a gravitației cuantice, deși cunoașterea unei teorii cuantice a gravitației nu este esențială pentru unele rezultate ale cosmologiei cuantice.

Ideea de a utiliza un formalism bazat pe o funcție de undă pentru a descrie întregul Univers se bazează pe lucrarile fizicienilor americani John Archibald Wheeler (1911-2008) și Bryce DeWitt (1923-2004) la sfârșitul anilor 1960 (ecuația Wheeler-DeWitt). Subiectul a fost dezvoltat mai ales in anii 1980, prin activitatea fizicianului american James Hartle și a fizicianului si cosmologului britanic Stephen Hawking.

Cu mult înainte de nașterea gravitației cuantice cu bucle (loop quantum gravity), care pentru moment este interesata în primul rând de problemele locale și nu de un fenomen atat de global precum cosmologia, ideea de cosmologie cuantica a fost deja explorata de diversi fizicieni. Abordarea propusă era totusi diferita, bazandu-se pe cuantificarea “canonica” a unui Hamiltonian.

[In mecanica cuantică, Hamiltonianul este un operator matematic ce corespunde energiei totale a sistemului, fiind notat cu H. Spectrul său este un set de rezultate posibile atunci când se măsoară energia totală a unui sistem. Datorită relației sale apropiate cu evoluția in timp a unui sistem, este de o importanță fundamentală în cele mai multe formulări ale teoriei cuantice.]

Prima descriere de acest gen a fost realizata în 1967 de către fizicienii americani John Wheeler și Bryce de Witt care au formulat o “ecuație a lui Schrödinger” pentru funcția de undă a Universului, ecuația Wheeler-de Witt. Această ecuație permite, în teorie, prezicerea probabilitatii ca Universul sa aiba o anumită formă (și sa o pastreze), dar, în practică, cazul general este greu de rezolvat, ecuația fiind mult prea complexă. Au fost propuse  diverse modele simplificate, in special de rușii A. Linde și A. Vilenkin, și de Jim Hartle și Stephen Hawking.

[Ecuația lui Schrödinger, conceputa de fizicianul austriac Erwin Schrödinger, în 1925, este o ecuație fundamentală în mecanica cuantică. Aceasta descrie evoluția în timp (starea cuantica, numită și funcția de undă sau vectorul de stare) a unei particule masive non-relativiste, și îndeplinește, astfel, același rol ca și Legile lui Newton în mecanica clasică.]

Ambele modele propuse sunt foarte diferite, Universul lui Linde și Vilenkin fiind un fel de spuma haotica veșnica, avand un număr de dimensiuni necunoscute (un “super-Univers”), în care fluctuații “locale” ar forma la fel Universuri similare cu al nostru, dar în care constantele fizice nu ar fi neapărat aceleași.

De altfel, în conformitate cu observațiile recente, Universul si-ar fi început existenta printr-o fază de expansiune foarte rapida (pe care unele teorii o explica cu ajutorul existenței unui “dilaton“), fenomen pe care Linde si colegii sai l-au luat in considerare in mod evident în modelele lor cele mai recente (imaginea de mai jos).

 

Ilustrarea unui “model” posibil al Universului inflaționist în care mai multe Universuri “paralele” apar din fluctuatiile care au loc într-un “Univers-parinte”, fiecare culoare corespunzand unui Univers cu valori diferite ale constantelor fundamentale.

Auto-reproducerea Cosmosului apare ca o ramificatie extinsa a bulelor inflaționiste. Schimbarile de culoare reprezintă “mutatii” în legile fizicii din Universurile-parinte. Proprietățile spațiului în fiecare bula nu depind de momentul în care bula s-a format. In acest sens, Universul ca un întreg poate fi staționar, chiar dacă interiorul fiecărei bule este descris de teoria Big Bang-ului.

In ceea ce-l priveste, modelul inițial Hartle-Hawking este aproape la extrema opusă, deoarece presupune un Univers unic, finit în timp și spațiu si fără limite (o “hipersfera”), ceea ce ar elimina problema singularitatii originare (Big Bang).

Comparatie intre Universul conform modelului Hartle-Hawking și Pământ. Ambele sunt fara margini și nu prezinta singularitate la poli.

Trebuie totusi remarcat faptul că aceasta cosmologie cuantica, ar trebui să ia în considerare, de asemenea, posibilitatea fluctuatiilor în topologia Universului, ceea ce presupune efectuarea unor calcule similare cu cele introduse de Feynman pentru electrodinamica cuantica (integralele traiectoriilor), dar în care fiecare “traiectorie”, ar fi o topologie posibilă a Universului.

[Formularea “integrala traiectoriei”(integrala functionala) din mecanica cuantică, dezvoltata in 1948 de Richard Feynman, este o descriere din teoria cuantica, care generalizează principiul acțiunii din mecanica clasica. Acesta înlocuiește noțiunea clasică a unei singure si unice traiectorii pentru un sistem cu o sumă, sau integrala functionala, pe o infinitate de traiectorii posibile pentru a calcula o amplitudine cuantica.

Această formulare s-a dovedit crucială pentru dezvoltarea ulterioara a fizicii teoretice, deoarece a furnizat baza pentru marea sinteza din anii 1970, denumita grup de renormare, ceea ce a condus la unificarea teoriei cuantice a câmpului cu mecanica statistica. Integralele traictoriei au fost, de asemenea, utilizate în studiul mișcării browniene și al difuziunii.]

De asemenea, trebuie spus că dificultățile sunt imense, iar problema nu a fost încă pe deplin rezolvată, chiar dacă același tip de probleme tehnice survin atunci când, într-o teorie cuantică a interacțiunii între “obiecte” se presupune că acestea din urma nu sunt “particule punctiforme” (in sens cuantic), ci obiecte extinse precum (super)corzile.

[Electrodinamica cuantica relativista (Quantum electrodynamics; abreviat: QED) este o teorie fizică ce vizează concilierea mecanicii cuantice cu electromagnetismul, utilizand un formalism lagrangian relativist. Conform acestei teorii, sarcinile electrice interacționează prin schimbul de fotoni. Teoria interactiunilor electromagnetice dintre particulele elementare electrizate, precum si dintre campul radiant cuantificat si materie.

In esență, aceasta teorie descrie modul în care interacționează lumina si materia și este prima teorie in care s-a realizat un acord deplin între mecanica cuantica și relativitătea speciala (restransa). Din punct de vedere matematic, QED descrie toate fenomenele ce implica particule incarcate electric care interactioneaza prin schimb de fotoni si reprezintă omologul cuantic al electromagnetismului clasic, oferind o imagine completă a interacțiunii dintre materie și lumina. Unul dintre părinții fondatori ai QED, Richard Feynman, a numit-o “bijuteria fizicii” pentru predicțiile sale extrem de precise. In termeni tehnici, QED poate fi descrisă ca o teorie a perturbatiilor vidului cuantic electromagnetic.

Vid cuantic: spatiul dintre nuclee este plin cu radiatii electromagnetice, fotoni, particule virtuale,… intr-o continua agitatie si transformare. Nu exista conexiuni intre acest ocean infinit de radiatii si particule cuantice si propagarea energiei electromagnetice.]

Totusi, trebuie sa se menționeze o “lărgire” a cadrului relativității ce priveste cosmologia și topologia, dar nu în mod direct fizica cuantică. Este vorba de problema topologiei globale a Universului. Astfel, relativitatea generală fiind o teorie locală, nu există nici o cerință pentru a descrie forma globală a spațiu-timpului. Prin urmare, mulți oameni de stiinta, printre care si Friedmann în 1924, s-au concentrat asupra  problemei topologiei Universului, unii avand in vedere sa formuleze o nouă teorie a gravitației relativiste, care să încorporeze “condițiile la limită”.

Aceasta activitate teoretica nu a fost incununata de succes, fapt pentru care o echipa internationala (printre care J.P Luminet si altii) a propus recent ca un detaliu, până atunci neînțeles, în cartografierea radiației cosmice de fond poate fi explicat prin faptul că Universul ar avea o topologie “cu gauri”.

Dacă acest rezultat ar fi verificat prin măsurători ulterioare, acest lucru ar putea fi un alt mod important de a sonda aspectele cele mai energetice ale gravitației, deoarece topologia Universului este ceva care ar trebui în mod normal să fie prezis de teoriile corzilor sau de orice alta teorie cuantica, care pretinde că poate trata Universul primordial. Cele mai moderne teorii, aparute din teoriile corzilor, de asemenea, prezic, de altfel, un alt tip de model cosmologic: “modelul branar“.

Ilustrarea Universului lui Poincaré, utilizat în modelul lui Luminet si colab., care poate fi văzut ca un fel de “minge de fotbal” formata din 12 pentagoane curbate.

Ilustrarea diferenței mari fata de mingea convențională: Universul nu este “pur și simplu conex”, și dacă se iese „printr-o fata”, se intra din nou prin partea opusă.

[Conex: descrie un domeniu (suprafata, volum, …) închis printr-o singura si unica frontieră externa (contur, suprafață) și care poate sa contina mai multe frontiere interne. De exemplu, un bloc de spumă poliuretanică cu celule închise constituie un domeniu conex, fiecare cavitate formând o frontieră internă.]

Ilustrarea a ceea ce percepe un observator aflat într-un astfel de Univers: privind într-o direcție dată, el contemplă replici foarte numeroase ale Universului fizic, la fel ca într-un labirint de gheata.

De altfel, într-unele dintre cele mai speculative teorii, există, de asemenea, uneori, ideea că topologia spațiu-timpului ar putea fi complexă, permitand existența unor “scurtaturi prin Univers“, atât în spațiu, cat și în timp, celebrele “gauri de vierme“. Aceste obiecte ipotetice sunt însă foarte speculative, chiar daca una dintre explicațiile actuale posibile ale fenomenului de expansiune accelerată a Universului face apel la o “energie întunecată”, care ar putea asigura supraviețuirea acestor ” tunele din afara spațiu-timpului”.

Ilustrarea conceptului de gaura de vierme (wormhole), care permite apropierea a două puncte îndepărtate ale spațiu-timpului. Cu astfel de obiecte astrofizice, calatoria in timp ar putea fi posibila și acesta este unul dintre motivele pentru care marea majoritate a fizicienilor cred că trebuie să existe un mecanism care previne existența lor la dimensiuni macroscopice (s-a demonstrat ca numai materia “anormala” poate eventual sa împiedice dezintegrarea rapida a gaurii de vierme).

 In imagine, sunt trasate două trasee posibile pentru a ajunge pe Pământ de la astrul reprezentat in partea de jos. O nava spațiala capabila sa intre in gaura de vierme, și să supraviețuiască traversarii sale, ar putea, în anumite circumstanțe, sa ajunga pe Pamant inaintea luminii care ar urma traseul standard.

©  CCC

Continuare… Universul-holograma

Inceputul articolului: In cautarea unei teorii a totului

Share |

Leave a Reply

Copy Protected by Chetan's WP-CopyProtect.