METODOLOGIA ODKRYĆ W NAUKACH
PRZYRODNICZYCH I ŚCISŁYCH
WIZJA ASTRONOMII PLASTYCZNEJ
cały nasz obecny materialny Wszechświat, wypełniony rozmaitymi strukturami – atomami, kryształami, galaktykami, a nawet życiem – sam w sobie może być przykładem ukrytej symetrii. Na początku – głosi mantra – Wszechświat zrodził się w stanie doskonałości, w którym występowało tylko pojedyncze jednolite superoddziaływanie. Następnie, jak wykazują obliczenia, w temperaturze rzędu miliardów miliardów stopni wszystko uległo zmianie. Podobnie jak przepiękne wzory tworzą się, gdy wilgoć zamarza na szybie okiennej, w miarę ochładzania się Wszechświata z pierwotnie jednorodnej gorącej „zupy” Wielkiego Wybuchu wyłoniły się struktury. Wykształciły się odrębne oddziaływania – silne, elektromagnetyczne i słabe (plus grawitacja) – oraz poszczególne rodzaje cząstek, takich jak elektrony i kwarki. Dzięki ukryciu pierwotnej symetrii możliwe było powstanie całego bogactwa form zawartych w ewoluującym Wszechświecie, uwieńczonych narodzinami życia. (…) Gdyby SUSY była fundamentalną cechą przyrody, to każdemu rodzajowi bozonów odpowiadałyby fermiony o takiej samej masie i ładunku elektrycznym, jak też dla każdego fermionu istniałby taki bozon. (…) jeden z aspektów supersymetrii może okazać się fundamentalny – SUSY może być odpowiedzialna za ciemną materię, która, jak się zdaje, dominuje w materialnym Wszechświecie.
Frank Close, Zagadka nieskończoności
Ilość pozostałej materii jest mniejsza od ilości ciemnej materii, ale i tak tworzy ona wciąż znaczny fragment Wszechświata – nie mówiąc już o tym, że jest źródłem wszystkiego, co znamy i kochamy.
Lisa Randall, Pukając do nieba bram
Kwantowa teoria pola – teoria cząstek elementarnych – jest równie racjonalna w przestrzeni trójwymiarowej i w światach o mniejszej liczbie wymiarów. O ile nam wiadomo, cząstki elementarne są prawdopodobne w przestrzeni dwuwymiarowej (we Flatlandii), a nawet w przestrzeni jednowymiarowej (w świecie liny).
Leonard Susskind, Bitwa o czarne dziury
Jedną z nowych cech M-teorii jest fakt, że wprowadza ona obok strun całą menażerię membran o różnej liczbie wymiarów. W takim ujęciu cząstki punktowe nazywamy „zerobranami”, ponieważ są one nieskończenie małe i nie mają żadnych wymiarów. Struna to „jednobrana”, ponieważ jest obiektem jednowymiarowym, definiowanym przez swoją długość. Membrana jest „dwubraną”, bo tak jak powierzchnię piłki definiuje ją długość i szerokość. (…) Nasz Wszechświat może być swego rodzaju „trójbraną”, trójwymiarowym obiektem mającym długość, szerokość i wysokość.
Michio Kaku, Wszechświaty równoległe
Zarówno ciemna materia, jak i ciemna energia stanowią niewyjaśnione dotąd zjawiska w fizyce i astronomii. Historia odkrycia i badań ciemnej materii liczy sobie wiele lat, jednak sama ciemna energia stanowi ostatnie wielkie odkrycie kosmologii. Przyznano za nie w 2011 r. Nagrodę Nobla Saulowi Perlmutterowi, Brianowi Schmidtowi i Adamowi Riessowi. Chodzi o odkrycie ciemnej energii oraz przyspieszenia ekspansji Wszechświata.
Niestety literatura i materiały źródłowe na temat ciemnej materii i ciemnej energii są wyjątkowo skąpe. Niektóre opracowania zawierają tylko historię i socjologię ich odkrycia bądź krytykę istniejących koncepcji (por. R. Panek, „Ciemna strona Wszechświata. W poszukiwaniu brakujących składników rzeczywistości”).
Przestudiowałem więc gruntownie praktycznie cała literaturę na ten temat. Zarysowana w powyższym tekście koncepcja jest całkowicie nowa i ma swoje rozwinięcie tematyczne.
Powyższe notki pierwotnie stanowić miały ciąg dalszy i uzupełnienie mojego wcześniejszego tekstu „Równanie struktur i życia kosmosu – geneza teorii w fizyce i astronomii” (Internet, 2017) i w zasadzie stanowią Post Scriptum do niego. Jednak do tej koncepcji, związanej de facto z teorią masy ustrukturyzowanej i punktu, doszedłem już po skompletowaniu i zakończeniu publikacji „Równania struktur…”. Zresztą wszystkie tezy, analizy mechanizmów zjawiska itd. są ze sobą powiązane, więc mieszczą się logicznie w całości powyższego szerszego opracowania, „Teorii akceleracji III…”.
Tak więc w powyższej notce przedstawiona zostanie przede wszystkim wiedza dotycząca ciemnej materii i ciemnej energii oraz punkt wyjścia rozważań. Notka 7 zawiera głównie analizę matematyczną i konsekwencje równań związanych ze zjawiskiem.
6.1. WIEDZA O CIEMNEJ MATERII – MATERIAŁY ŹRÓDŁOWE
Ciemną materią (ok. 23% masy Wszechświata) określamy hipotetyczną materię, nie oddziałującą elektromagnetycznie ze zwykłą materią, a możliwą do wykrycia przez jej oddziaływania i efekty grawitacyjne.
Jeśli chodzi o historię odkrycia i badań ciemnej materii, początkiem były przeprowadzone w 1933 r. przez astronoma Fritza Zwicky’ego obserwacje gromady galaktyk Coma, w których obserwowana szybkość obiegu galaktyk była zbyt duża, by wyjaśnić to klasyczną grawitacją. Badania te nie przekonały jednak astronomów.
Później, w latach 60., 70. i 80. zespół Very Rubin przeanalizował wykresy krzywych rotacji galaktyk, w tym galaktyki Andromedy, i odkrył podobne do zaobserwowanych przez Zwicky’ego anomalie – gwiazdy peryferyjne galaktyk posuwały się zbyt szybko.
Obserwacje te potwierdziła metoda soczewkowania grawitacyjnego, umożliwiając jednocześnie określenie prawdopodobnego rozkładu ciemnej materii w kosmosie. To zostało w pełni zaakceptowane przez astronomów.
Podobne wnioski wynikają obecnie z badania m.in. gromady galaktyk Pocisk (2006 r.), z obserwacji mikrofalowego promieniowania tła, przeprowadzonych przez satelity, teleskopy WMAP i Planck, z obserwacji supernowych typu Ia, oraz z analiz danych o wielkoskalowej strukturze Wszechświata z satelitów Chandra i ROSAT.
Zgodnie z badaniami, ciemna materia znajduje się w przestrzeni kosmicznej niemal wszędzie, w tym zwłaszcza w przestrzeni międzygwiazdowej i międzygalaktycznej. Na przykład w naszej Galaktyce tworzy ona dysk o grubości 300 lat świetlnych oraz halo o grubości 500-600 tys. lat świetlnych.
Jeśli chodzi o próby wyjaśnienia istnienia i funkcjonowania ciemnej materii, jest kilka hipotez. Ogólnie uważa się, że tworzy ona szkielet i oś dla zwykłej materii.
Może to być materia barionowa – neutrony i protony, tzw. nieświecące obiekty MACHO (Massive Compact Halo Objects – Masywne zwarte obiekty halo), w tym obiekty takie jak brązowe karły i planety.
W obszarze materii niebarionowej, ciemną materię mogą tworzyć: gorąca ciemna materia – cząstki relatywistyczne, w tym neutrina (choć uważa się, że nie mogą one tworzyć całej ciemnej materii – teoria ta nie jest powszechnie uznawana), oraz zimna ciemna materia – tzw. cząstki WIMP (Weakly Interactive Massive Particles - Słabo oddziałujące cząstki masywne). Niektóre cząstki WIMP podlegają oddziaływaniu słabemu jądrowemu.
Jednym z kandydatów na ciemną materię są tzw. cząstki supersymetryczne. Wszechświat w fazie oddziaływania zunifikowanego, złożony pierwotnie z jednej klasy cząstek, oziębił się, i w ten sposób poprzez złamanie symetrii cząstki rozdzieliły się na fermiony i bozony.
Fermiony to cząstki o połówkowym spinie – dwa fermiony o tym samym położeniu nie mogą posiadać tych samych właściwości (ładunku, poziomu energii, spinu itd.). Bozony mają wartości całkowite spinu – dowolna liczba identycznych bozonów może się skupiać razem.
Zakłada się, że oba rodzaje cząstek mają swoje masywne supersymetryczne odpowiedniki – różniące się jedynie masą i spinem. Na przykład dla fermionu elektronu byłby nim selektron, dla bozonu fotonu zaś – fotino.
Inną hipotetyczną formą ciemnej materii mogą być tzw. aksjony (koncepcja m.in. Michaela Turnera). O nich pisał fizyk Frank Wilczek. Są one rozwiązaniem niektórych teoretycznych problemów teorii pola. Na 15 centymetrach sześciennych znajdowałoby się ich ok. miliarda.
Michael Turner też stworzył koncepcję tzw. materii cienia. Teoria ta uważana jest za bardzo spekulatywną. Zgodnie z nią mogą istnieć na przykład światy cienia – planety, życie, cywilizacje itd. Jedyną możliwością kontaktu z tymi istotami byłyby fale grawitacyjne.
Jaką dotąd, żadna z powyższych form ciemnej materii nie została odkryta.
Jeżeli chodzi o próby detekcji ciemnej materii, realizuje się tu różne strategie.
Będą to badania produktów anihilacji jej cząstek w kosmosie, wykrywanie efektów oddziaływania jej cząstek ze zwykłą materią w specjalnych naziemnych detektorach, oraz pośrednie analizy oddziaływania cząstek w zderzaczach-akceleratorach, typu LHC i Tevatron (tu wykrywana byłaby głównie zwykła materia jako produkt uboczny odpowiednich reakcji).
Szczególnie warte uwagi są tu: misja teleskopu Fermiego, penetrującego Centrum Galaktyki, oraz teleskopy naziemne, takie jak HESS, poszukujące sygnałów obecności ciemnej materii w galaktykach karłowatych i gromadach galaktyk. Inny eksperyment, DAMA/LIBRA, doniósł o pozytywnym, choć kontrowersyjnym wyniku.
Uważa się, że masa cząstek ciemnej materii powinna wynosić co najmniej ok. 40 GeV (co przeczy doniesieniom o hipotetycznej masie 7-12 GeV).
Istnieją również hipotezy alternatywne dotyczące ciemnej materii, pomijające ją jako wyjaśnienie obserwowanych zjawisk grawitacyjnych.
Jest to np. zmodyfikowana teoria grawitacji Newtona. Chodzi o teorię izraelskiego fizyka Mordehaia Milgroma. W teorii tej funkcjonuje wzór:
m a→ (a/(a + a0)) = F→, gdzie
a0 jest stałą o wymiarze przyspieszenia, a0≈ 10-8 cm/s2.
Według tej teorii siła grawitacji w większych odległościach byłaby większa od przypuszczanej, co tłumaczyłoby stabilność dysków galaktyk spiralnych. Teoria ta jest jednak obecnie kwestionowana.
Inną tego rodzaju koncepcją jest model fizyka Dragana Hajdukovicia, związany ze zjawiskiem wirtualnych cząstek w próżni. Tutaj obserwowane efekty grawitacyjne tłumaczyłoby istnienie spolaryzowanych dipoli grawitacyjnych.
6.2. WIEDZA O CIEMNEJ ENERGII – MATERIAŁY ŹRÓDŁOWE
Ciemna energia (ok. 73% masy Wszechświata) to hipotetyczna forma energii, wypełniająca przestrzeń kosmiczną i wyjaśniająca rozszerzanie się Wszechświata. Termin (stworzony przez Michaela Turnera) i koncepcja powstały dla wyjaśnienia przyspieszenia ekspansji Wszechświata i problemu tzw. brakującej masy. Dane obserwacyjne z 2011 r. potwierdziły teorię ciemnej energii.
W 1998 r. dwa niezależne zespoły badaczy, na podstawie obserwacji supernowych Ia, odkryły przyspieszanie rozszerzania się Wszechświata, (co, jak się ocenia, potwierdziło wcześniejsze teorie).
Jako wyjaśnienie natury i pochodzenia ciemnej energii podaje się tzw. energię próżni oraz działanie nieznanego, specyficznego kwantowego pola sił, zwanego kwintesencją (jako aktywna, dynamiczna zmienna); formą ciemnej energii może być też stała kosmologiczna (bierna, statyczna zmienna). Stała kosmologiczna to termin stworzony w 1917 r. przez A. Einsteina (tzw. stała lambda Λ) – czynnik siły antygrawitacyjnej, odpychającej gwiazdy od siebie – Einstein uznał to za największą swoją życiową pomyłkę; wątek ten został po pewnych modyfikacjach podjęty niedawno.
Teoria ciemnej energii w swojej podstawowej formie nie jest powszechnie akceptowana, uważa się, że jest to nieścisła konsekwencja części ogólnej teorii względności, dotyczącej grawitacji. Jednak dane empiryczne potwierdzają teorię kwintesencji.
Istnieją następujące przesłanki obserwacyjne dotyczące ciemnej energii – oprócz pomiaru jasności supernowych Ia: badanie mikrofalowego promieniowania tła, gromad galaktyk, mikrosoczewkowanie grawitacyjne oraz analiza struktury wielkoskalowej Wszechświata.
Pomiar struktury mikrofalowego tła wykazał, że Wszechświat jest płaski, tzn. iloraz gęstości materii-energii do gęstości krytycznej jest równy 1. Zatem 73% masy Wszechświata tworzyłaby ciemna energia. Analiza jasności rentgenowskiej gromad galaktyk również potwierdziła te dane (też jako efekt Suniajewa-Zeldowicza), podobnie jak badania struktury wielkoskalowej Wszechświata (złożony model kosmologiczny o niemal 20 stopniach swobody). Z kolei analiza anizotropii słabego mikrosoczewkowania dla promieniowania tła dała podobne wyniki.
W badaniu ciemnej energii wykorzystuje się też błyski gamma, związane, jak się przypuszcza, z czarnymi dziurami, oraz fale grawitacyjne, powstałe w układach podwójnych gwiazd neutronowych i czarnych dziur.
Obecnie, jako alternatywne hipotezy wyjaśnienia zjawiska ciemnej energii, podaje się, że Układ Słoneczny jest wyróżnionym obiektem, tak że dane obserwacyjne przyspieszonego rozszerzania się Wszechświata byłyby swego rodzaju zafałszowaniem. Empiryka jednak (dane z satelity WMAP i z teleskopu Hubble’a) całkowicie podważa te hipotezy.
6.3. RÓWNANIE EWOLUCJI MATERII
Dla problemu rozwoju materii, a więc określenia, czym są ciemna energia i ciemna materia oraz zwykła materia, pomocna jest analiza podstawowego równania rozwoju: w = mu = katn = gv.
Tutaj akceleracja, wyrażona przez zmienną, wymiar n jest masą ustrukturyzowaną reintegracji, reprezentowanej przez symbol i wymiar a, tak jak ta jest masą ustrukturyzowaną integracji wstępnej. Jest to drabina poziomów ewolucji. Jednak najpierw długo nic się nie dzieje, jest niejako funkcja stała (w powyższym wzorze byłby to najbardziej pierwotny czynnik, elementarny i nie związany z postępem: byłaby to zmienna b w zapisie w = katn + b).
Jednak mechanizm rozwoju zostaje uruchomiony. Zaczyna coś się dziać, rozwój nabiera dynamiczności i już podlegać będzie odtąd prawom darwinowskiej ewolucji – włącza się czynnik a w powyższym wzorze – idea „codzienna” – mem. Czynnik a jest jakby masą ustrukturyzowaną czynnika b. Potem to samo, choć na zupełnie innej zasadzie, dzieje się z czynnikiem n – to pełny postęp.
Podobnie jest z materią. Zwykła materia to ukoronowanie rozwoju i zmienna n – masa ustrukturyzowana w stosunku do ciemnej materii i zmiennej a. Ciemna materia z kolei jest postępem i masą ustrukturyzowaną w stosunku do „najdzikszej” z nich wszystkich, arozwojowej ciemnej energii (składnik b).
Co jest tu ważne – każdy kolejny poziom rozwoju – tak dla biografii, jak i historii, ewolucji kosmosu – łączył się z łamaniem symetrii – od „pierwotnego atomu”, do coraz bardziej rozgałęzionych, wyspecjalizowanych struktur.
6.4. WYMIARY STRUKTUR MATERII
Jak z punktu widzenia ewolucji kosmosu i odmian materii przedstawia się sprawa wymiarów przestrzeni?
Już sama analiza równań matematycznych wskazuje, że podstawowa, ciemna energia łączy się ze stałą, a więc 1-wymiarową rzeczywistością, podobnie ciemna materia to liniowy, dwuwymiarowy, płaski świat, a zwykła materia – wykładniczy i trójwymiarowy.
Nasz Wszechświat jest pewną mutacją przestrzeni, podobnie jak są nią ciemna energia, ciemna materia i zwykła materia. Ściśle biorąc, zwykła materia nie wywodzi się z ciemnej materii, jak ta z ciemnej energii, tak jak gatunek Homo sapiens nie pochodzi od szympansa.
Wszystkie powyższe wnioski wynikają z teorii masy ustrukturyzowanej. Jednak tak naprawdę Wszechświat i jego przestrzeń mogą nic nie obchodzić biologiczne rachuby i fenomen życia. Zatem czy powyższa drabina i koncepcja wymiarów jest w ogóle zasadna?
Jest przecież takie znane powiedzenie: ”Trudziły się góry i zrodziły śmieszną mysz” (akurat stopień rozwinięcia i masa ustrukturyzowana góry, w przeciwieństwie do myszy, jest równa zero). Ktoś powiedział też, że gdyby poeci zastrajkowali, nikt by tego nie zauważył. Podobnie insekty wypowiedziały się o ludziach. Jest to więc motto mięśniaków…
Jednak w jakim stopniu i czy w ogóle takie prawidła respektuje kosmos?
Z drugiej strony zwykła materia, życie i świadomość stanowią rzeczywisty postęp i działanie sensu.
6.5. MECHANIZM FUNKCJONOWANIA WYMIARÓW CIEMNEJ ENERGII I CIEMNEJ MATERII – NIEKTÓRE CECHY
Podstawowy problem kosmosu (a jest to prawidłowo postawiony problem) jest następujący: czy teoria wymiarów materii ma sens?
Tutaj ciemna energia (jako zawirowanie próżni) jest procesem i zjawiskiem o bardzo prostym w konstrukcji mechanizmie. Jej przejawem jest ekspansja przestrzeni, czyli niejako jednowymiarowy wektor. Ciemna energia tworzy jedynie ramy dla ciemnej materii. Wraz z przechłodzeniami, ona ją wytrąca. Tak więc ciemna energia niejako „niewiele potrafi” (traktując oczywiście powyższe sformułowanie jako czysty skrót myślowy), jest jednak ważna na mapie sił kosmosu.
Jednak Wszechświat z fizykalnego punktu widzenia „nic nie obchodzą” jego struktury, tak jak Słońca nic nie obchodzi produkcja światła. Tak jak ciemna materia w relacji do ciemnej energii jest „odpryskiem” procesów podstawowych próżni, tak światło jest produktem ubocznym, skutkiem sił termojądrowych w centrum gwiazdy.
Ale już ciemna materia jest bardziej „wysublimowana” (to wysoce niepoprawne słowo – jak wiele zresztą tutaj – bo nie ma miejsca na żadne sublimacje (!!), zjawisko jest czysto fizyczne, ale biorąc pod uwagę drabinę struktur kosmosu, można użyć powyższego terminu) niż ciemna energia. Ciemna materia ma wspólną cechę z ciemną energią – tworzy ramy, tu – dla zwykłej materii.
Jednak jest ona bardziej „bogata” i złożona w procesach jej funkcjonowania, a więc i w konstrukcji wymiarowej (tu niejako włącza się kolejny wymiar) niż ciemna energia. Ciemna materia jednak z fizycznego punktu widzenia jest mniej fundamentalna niż ciemna energia, stanowi więc jako przejaw rozwoju, przedmiot badań bardziej kosmologii i astronomii niż fizyki.
Powyższy rysunek autora przedstawia jedno z wyzwań, idei i celów świata – eksplorację kosmosu. Tu widać powierzchnię, formy życia i przyszłą obecność człowieka na planecie pozasłonecznej. Drugi rysunek autora przedstawia fazy ewolucji Wszechświata. Trzeci rysunek – ciemną energię i inflację (wyjaśnienie w notce 7).
Rys. 1. Na krańcach Galaktyki – powierzchnia hipotetycznej egzoplanety w Wielkim Obłoku Magellana
Rys. 2. Fazy ewolucji Wszechświata i formy materii oraz energii
Rys. 3. Ciemna energia i inflacja.
Materiały źródłowe:
„Ciemna energia”, Wikipedia.
„Ciemna materia”, Wikipedia.
P. Halpern, „Łowcy planet. Tropem Wolszczana w poszukiwaniu planet w naszej Galaktyce”, Wydawnictwo Amber, Warszawa 1999.
Planete, stacja tv., „Hubble – misja Wszechświat (10)”, 31.10.2017.
Tagi: ciemna materia, ciemna energia
Inne tematy w dziale Technologie
