Źródło zdjęcia: Hubble
Naukowcy badający Wielki Wybuch twierdzą, że jest możliwe, że pewnego dnia teoria strun może zostać przetestowana eksperymentalnie na podstawie pomiarów poświaty Wielkiego Wybuchu.
Richard Easther, asystent profesora fizyki na Uniwersytecie Yale omówi tę możliwość na spotkaniu na Uniwersytecie Stanforda w środę, 12 maja, zatytułowanym „Beyond Einstein: From the Big Bang to Black Holes”. Koledzy Easthera to Brian Greene z Columbia University, William Kinney z Uniwersytetu w Buffalo, SUNY, Hiranya Peiris z Princeton University i Gary Shiu z University of Wisconsin.
Teoria strun próbuje ujednolicić fizykę dużych (grawitacji) i małych (atomów). Są one teraz opisane przez dwie teorie, ogólną teorię względności i teorię kwantową, które mogą być niekompletne.
Krytycy gardzą teorią strun jako „filozofią”, której nie można przetestować. Jednak wyniki Easthera i jego współpracowników sugerują, że dowody obserwacyjne potwierdzające teorię strun można znaleźć w dokładnych pomiarach kosmicznego mikrofalowego tła (CMB), pierwszego światła, które pojawiło się po Wielkim Wybuchu.
„W Wielkim Wybuchu, najpotężniejszym wydarzeniu w historii Wszechświata, widzimy energie potrzebne do ujawnienia subtelnych znaków teorii strun” - powiedział Easther.
Teoria strun ujawnia się tylko na ekstremalnie małych odległościach i przy dużych energiach. Skala Plancka mierzy 10–35 metrów, teoretycznie najkrótszą możliwą do zdefiniowania odległość. Dla porównania, mały atom wodoru o średnicy 10-10 metrów ma szerokość 10 bilionów bilionów razy. Podobnie największe akceleratory cząstek generują energie 1015 woltów elektronów poprzez zderzenie cząstek subatomowych. Ten poziom energii może ujawnić fizykę teorii kwantowej, ale nadal jest około biliona razy mniejszy niż energia wymagana do przetestowania teorii strun.
Naukowcy twierdzą, że podstawowe siły Wszechświata - grawitacja (określona przez ogólną teorię względności), elektromagnetyzm, „słabe” siły radioaktywne i „silne” siły jądrowe (wszystkie określone przez teorię kwantową) - zostały zjednoczone w rozbłysku wysokoenergetycznym Wielkiego Bang, kiedy cała materia i energia były zamknięte w skali subatomowej. Chociaż Wielki Wybuch miał miejsce prawie 14 miliardów lat temu, jego poświata, CMB, wciąż pokrywa cały wszechświat i zawiera skamieniałą historię pierwszych chwil czasu.
Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP) bada CMB i wykrywa subtelne różnice temperatur w obrębie tego w dużej mierze równomiernego promieniowania, świecącego tylko o 2,73 stopnia Celsjusza powyżej zera absolutnego. Jednorodność jest dowodem „inflacji”, okresu, w którym ekspansja Wszechświata przyspieszyła gwałtownie, około 10-33 sekund po Wielkim Wybuchu. Podczas inflacji Wszechświat urósł ze skali atomowej do skali kosmicznej, zwiększając swój rozmiar o sto trylionów razy. Pole energetyczne, które napędzało inflację, podobnie jak wszystkie pola kwantowe, zawierało wahania. Wahania te, uwięzione w kosmicznym tle mikrofalowym jak fale na zamarzniętym stawie, mogą zawierać dowody na teorię strun.
Easther i jego koledzy porównują szybką ekspansję kosmiczną, która nastąpiła tuż po Wielkim Wybuchu, do powiększenia zdjęcia w celu ujawnienia poszczególnych pikseli. Podczas gdy fizyka w skali Plancka „zaszumiała” na 10–35 metrów, dzięki ekspansji Wszechświata wahania mogą teraz obejmować wiele lat świetlnych.
Easther podkreślił, że to długa perspektywa, że teoria strun może pozostawić wymierne efekty na tle mikrofal, subtelnie zmieniając wzór gorących i zimnych punktów. Teoria strun jest jednak tak trudna do przetestowania eksperymentalnego, że warto spróbować. Następcy WMAP, tacy jak CMBPol i europejska misja Planck, zmierzą CMB z niespotykaną dokładnością.
Modyfikacje CMB wynikające z teorii strun mogą odbiegać od standardowych prognoz różnic temperatur w kosmicznym tle mikrofalowym nawet o 1%. Jednak znalezienie niewielkiego odchylenia od dominującej teorii nie jest bez precedensu. Na przykład zmierzona orbita Merkurego różniła się od tego, co przewidywało prawo grawitacji Izaaka Newtona o około siedemdziesiąt mil rocznie. Ogólna teoria względności, prawo grawitacji Alberta Einsteina, może tłumaczyć rozbieżność spowodowaną subtelnym wypaczeniem w czasoprzestrzeni od grawitacji Słońca przyspieszającej orbitę Merkurego.
Więcej informacji na temat spotkania „Beyond Einstein” można znaleźć na stronie http://www-conf.slac.stanford.edu/einstein/.
Oryginalne źródło: Yale University News Release
