- Na początku w naszym modelu czasu nie ma. Nic się nie dzieje. Akcja i dynamika pojawiają się jako wzajemna zależność pól, gdy zaczynamy pytać, jak pole grawitacyjne odnosi się do innych pól - opowiada Jerzy Lewandowski, profesor fizyki teoretycznej na Uniwersytecie Warszawskim.

Jest on jednym z twórców tzw. pętlowej grawitacji kwantowej - teorii, która ma ambicję opisania tego, co się działo w czasie Wielkiego Wybuchu. Ogólna teoria względności Alberta Einsteina nie radzi sobie z tym - załamuje się w tym punkcie, w jej równaniach pojawiają się nieskończoności. I nie można ich w żaden sposób usunąć. Trzeba zmienić teorię.

Ba, to wiadomo od dawna, ale jak to zrobić?

Jednym z pomysłów jest pogodzenie teorii Einsteina z fizyką kwantową, która narodziła się mniej więcej w tym samym czasie - w latach 20. zeszłego wieku. Pierwsza teoria opisuje spadek swobodny ciał, ruch planet i galaktyk, ewolucję kosmosu, druga - zjawiska w skali atomowej, gdzie grawitacja się nie liczy, bo jest niezwykle słabą siłą.

Obie teorie są wzajemnie sprzeczne.

Fizyka kwantowa mówi, że przyrodę możemy poznać tylko w przybliżeniu, a każdy pomiar jest obarczony jakimś prawdopodobieństwem i jakąś dokładnością. I to wcale nie dlatego, że nie mamy wystarczająco precyzyjnych przyrządów - ta niepewność i niedokładność tkwi w samej naturze zjawisk. W teorii Einsteina rzeczywistość jest zawsze jednoznacznie określona i tylko od naszej zręczności zależy, jak dokładnie ją poznamy.

Kłopot w tym, że w chwili Wielkiego Wybuchu materia była tak bardzo zagęszczona, że w mikroskopowych skalach liczyła się zarówno grawitacja, jak i zjawiska kwantowe. Żeby opisać, jak narodził się świat, potrzeba teorii, która połączy jedno z drugim.

Jedną z prób "skwantowania" grawitacji podjął prof. Abhay Ashtekar z Uniwersytetu Stanu Pensylwania w USA. Pod koniec lat 80. udało mu się ułożyć równania pętlowej grawitacji kwantowej. Pomagał mu w tym m.in. prof. Lewandowski, który przebywał na stypendium Fulbrighta w USA. - Fizyków, którzy się tym zajmowali, była wtedy tylko garstka - opowiada.

Ich teoria zakłada, że przestrzeń - podobnie jak materia - także jest złożona z niepodzielnych dalej porcji. Najlepiej sobie wyobrazić, że jest utkana z jednowymiarowych nitek. - To trochę jak z tkaniną - z daleka wydaje się gładka, ale z bliska widać sploty włókien - opisują fizycy. Taka przestrzeń jest niezwykle gęstą tkaniną - przez pole o powierzchni jednego centymetra kwadratowego przechodzi miliardy trylionów trylionów trylionów nitek. Nie tworzą one jakiejś regularnej sieci, biegną we wszystkich możliwych kierunkach - dodaje prof. Lewandowski.

W rzeczywistym świecie nie jesteśmy w stanie dostrzec ziarnistości przestrzeni nawet za pomocą najnowocześniejszych mikroskopów i instrumentów badawczych. Bo jej ziarna są niezwykle małe. Gdyby atom powiększyć do rozmiaru naszej Galaktyki, to elementarna komórka przestrzeni byłaby wciąż nie większa od bakterii.

Kilka lat temu fizycy skonstruowali na podstawie tej teorii bardzo uproszczony model Wszechświata, z którego wynikało, że Wielki Wybuch był tak naprawdę Wielkim Odbiciem. Przed chwilą "zero", w której zaczął się nasz Wszechświat, istniał jakiś inny kosmos, który się kurczył. Kiedy jego gęstość i temperatura osiągnęły krytyczną wartość, losy świata się odwróciły. Przestrzeń odbiła się - zaczęła się rozszerzać i tak jest do dziś.

Takich odbić, czyli przejść z fazy kurczenia do rozszerzania, mogło być wcześniej więcej. Nie warto jednak wysnuwać zbyt daleko idących wniosków - to na tyle uproszczony model, że fizycy nazywają go "zabawkowym". Jest dalszy od rzeczywistości, niż spadające z drzewa klonowe "noski" od zdalnie sterowanego helikoptera.

W najnowszej pracy, która wkrótce ukaże się w czasopiśmie „Physical Review D ”, fizycy z Uniwersytetu Warszawskiego (Marcin Domagała, Wojciech Kamiński i Jerzy Lewandowski) oraz gościnnie Kristina Giesel z Uniwersytetu Luizjany przedstawili nowy i pełniejszy model.

- Pokazaliśmy, że nie trzeba robić drastycznych uproszczeń. Że można skonstruować model z pełnym polem grawitacyjnym, takim jak w teorii Einsteina. Tylko materia jest w tym modelu reprezentowana ułomnie - przez najprostsze pole skalarne. Ale w przyszłości będziemy próbowali dołączyć do modelu kolejne pola, reprezentujące różne znane cząstki elementarne. Sami jesteśmy ciekawi, co się wtedy stanie - mówi prof. Lewandowski. - Stworzyliśmy pewną teoretyczną maszynkę, której możemy zacząć zadawać pytania i patrzeć, jakie zwraca odpowiedzi.

Źródło: Gazeta Wyborcza