PROBLEMY FIZYKI WSPÓŁCZESNEJ – Teoria Wszystkiego
WIZJA ASTRONOMII PLASTYCZNEJ
Kluczem do Teorii Wszystkiego może być rozwiązanie problemu ewolucji materii i struktur we Wszechświecie, a ściślej – związki między ciemną energią, ciemną materią i zwykłą materią. Dlaczego tak jest?
Wszystkie trzy rodzaje materii (energii) łączy sprawa, zjawisko grawitacji (a jest to problem węzłowy i newralgiczny dla TW). Najpierw więc istnieje (istniała) antygrawitacja (ciemna energia), potem pojawiła się jej manifestacja (ciemna materia), w końcu – piękna drabina rozwoju w wiele struktur i konstrukcji (zwykła materia). Można więc tu mówić o trzech podstawowych rodzajach grawitacji – stałej (etap stały rozwoju – ciemna energia), liniowej (ciemna materia) i wykładniczej (zwykła materia).
Ta sama reguła obejmuje i inne oddziaływania – poza grawitacyjnym – jądrowe silne, jądrowe słabe i elektromagnetyczne, oraz potem – różne oddziaływania makroskopowe (geologiczne, biologiczne itd.) [6]. Zarazem tu wchodzić zaczynają w grę nowe, bardziej subtelne czynniki – to zresztą widać w kształcie, funkcjonowaniu i przebiegu odpowiednich stałych sprzężenia. Owa stała sprzężenia jest więc zmienna, ściślej przybiera formy, zgodnie z powyższym – stałą, liniową i wykładniczą (zależnie od momentu czasowego Wszechświata).
Tak postawiony problem wydaje się być poprawny – powstała więc swoista łamigłówka, puzzle, które po prostu trzeba poskładać.
Układ pięciu kolejnych, powyższych faz: tezy, antytezy, syntezy, supersyntezy i hipersyntezy, które występują w całym ciągu rozwojowym historii kosmosu – łącznie i na tych różnych odcinkach (niczym cząstki magnesu), występuje w fizyce, w oddziaływaniach i w obszarze wewnętrznym trzech faz – ciemnej energii, ciemnej materii i zwykłej materii. Szczególnie interesujące byłoby odkrycie i wyodrębnienie takich wewnętrznych elementów w obrębie struktur ciemnej energii i ciemnej materii (np. jako ciąg – integracja wstępna, dezintegracja, reintegracja, akceleracja i hiperakceleracja) [6][8]. Zarówno bowiem ciemna energia, jak i ciemna materia oraz zwykła materia miały swoje narodziny, czas kryzysu (wieki ciemne), jego przełamanie, jak i potem stabilizację, oraz zwłaszcza przy zwykłej i ciemnej materii, miały bądź będą mieć, złoty czas (ale jako jeden układ).
Jeśli chodzi o samą teorię unifikacji sił, padł pomysł, aby skoncentrować się i poszukać rozwiązania problemu w tzw. zunifikowaniu stałej sprzężenia sił – tu chodziło o tzw. Wielką unifikację, GUT (ang. Grand Unification Theory). Jednak można tę ideę zmodyfikować i uogólnić tak, aby znaleźć wspólną stałą sprzężenia wszystkich sił, łącznie z grawitacją.
Całe to zjawisko podsumowuje wzór: w = mu = katn + b= gv, gdzie w – wartość struktury, mu – masa ustrukturyzowana, a – mem rozwoju, t – czas, n – paradygmat rozwoju, b – poziom ciemnej energii, k – stała rozwoju, g – stała sprzężenia rozwoju, v – pole sił [8].
1. NA DRODZE DO TEORII WSZYSTKIEGO
Jednym z celów współczesnej fizyki jest stworzenie tzw. Teorii Wszystkiego (TOE – ang. Theory of Everything, czyli TW), będącej spójną teorią wszystkich zjawisk fizycznych, unifikującej fizykę kwantową i grawitację (teorię względności A. Einsteina).
Krokiem pośrednim w tym kierunku jest udoskonalenie tzw. Teorii wielkiej unifikacji, łączącej chromodynamikę kwantową i teorię oddziaływań elektrosłabych oraz znalezienie tu, będącej co prawda nośnikiem różnych sił, jednak stanowiącej zunifikowaną stałą sprzężenia dla pola kwantowego i grawitacyjnego [1].
Teoria wielkiej unifikacji operuje energią niemożliwą do osiągnięcia współcześnie (1016 GeV), tzn. w akceleratorach; badania tych zjawisk będą więc jedynie pośrednie (unifikacja z grawitacją występowałaby przy energii 1019 GeV) [1] [9].
Teoria wielkiej unifikacji operuje zintegrowanymi symetriami (pozostałymi ze złamania jeszcze bardziej nadrzędnej symetrii, istniejącej tuż po Wielkim Wybuchu), tzw. grupą SU(3) (oddziaływanie silne) i związanymi z tzw. Teorią małej unifikacji symetriami, grupami SU(2) × U(1). Wszystkie trzy symetrie tworzą grupę symetrii Modelu Standardowego SU(3) × SU(2) × U(1), będącą iloczynem tensorowym powyższych składowych grup symetrii. Wszystkie mogą tworzyć połączoną symetrię, np. SU(5) [10].
Uważa się, że włączenie do zunifikowanej teorii wszystkich oddziaływań grawitacji łączyć się będzie ze stworzeniem nowego, rozbudowanego aparatu matematycznego, tzw. superalgebry, opisującej tzw. supersymetrię. Zarazem obejmie to teorię innych wymiarów oraz wiedzę o ciemnej materii i ciemnej energii [6] [9] [10].
Dotychczas były duże problemy z połączeniem fizyki kwantowej z teorią względności, m.in. dlatego, że w równaniach związanych z cząstkami elementarnymi wychodziły nieprawidłowe wielkości nieskończone, czego nawet nie usuwała renormalizacja.
W ogólnej teorii względności, grawitacja związana jest z zakrzywieniem czasoprzestrzeni; zachodzi związek między tzw. tensorem metrycznym i tensorem energii-pędu. Tensor metryczny określa w czasoprzestrzeni infinitezymalną odległość ds między dwoma bliskimi odpowiednimi punktami. Tensor energii-pędu jest czynnikiem sprawczym grawitacji i wiąże się głównie z wkładem masy [2].
Na fizykę kwantową jak dotąd składa się teoria związana z tzw. Modelem Standardowym i chromodynamiką kwantową oraz elektrodynamiką kwantową. Dwie ostatnie teorie dobrze weryfikują się eksperymentalnie. Jednak Model Standardowy, mimo że w miarę dobrze sprawdza się empirycznie, uważany jest za niespójny; operuje też co najmniej kilkudziesięcioma odgórnie przyjętymi stałymi.
Teoria wielkiej unifikacji w jeszcze większym stopniu ma problemy z empiryką (np. zakłada rozpad protonu, czego nie potwierdziły eksperymenty, czyli że czas jego rozpadu wynosi co najmniej 1032 lat). Niektóre teorie wielkiej unifikacji przewidują istnienie magnetycznych monopoli oraz istnienie nowych, nieodkrytych cząstek [1] [10].
Teoria wielkiej unifikacji stanowi jednak w miarę dobry punkt wyjścia dla przyszłej fizyki. Jest elementem ciągu wielkich unifikacji – od elektromagnetyzmu, łączącego elektryczność, magnetyzm i optykę, przez oddziaływanie elektrosłabe, łączące elektromagnetyzm i oddziaływanie słabe do Teorii wielkiej unifikacji, łączącej oddziaływanie elektrosłabe z silnym [9].
Uważa się, że dobrą kandydatką na Teorię Wszystkiego jest teoria superstrun, a zwłaszcza jej współczesne rozwinięcie i modyfikacja, M-teoria [9].
Czy teoria akceleracji i równanie struktur mogą coś wnieść do Teorii Wszystkiego?
Zgodnie z nimi, istnieją różne pola sił (wzór w = m = gv, gdzie w, m – wartość i masa np. cząstki, g – stała sprzężenia oddziaływania, v – wartość pola sił) [4] [6], w których występują podobne do pola Higgsa prawa, związane z istnieniem masy ustrukturyzowanej (mu) [6] [7] [8]. Tu na przykład istnieją niezerowe masy ustrukturyzowane cząstek oddziaływań (gdyż są to struktury, a każda struktura łączy się z masą ustrukturyzowaną), takich jak foton, gluon, grawiton i bozon Higgsa. „wzór mu = gv oznacza ustrukturyzowanie, a dla innych oddziaływań – silnego, elektrosłabego i grawitacyjnego – poza słabym, gdzie działa pole Higgsa, istnieją analogie do bozonu Higgsa” [6] [7] [8].
Zarazem funkcjonuje tu tzw. zasada termodynamiczna, zgodnie z którą różne, odpowiednie (ściśle określone) poziomy funkcjonowania (tj. fizyczny, astronomiczny, geologiczny, biologiczny i biograficzny) materii i oddziaływań są izomorficzne względem siebie [8].
Zatem zarówno dla fizyki kwantowej, jak i teorii względności istniałaby zunifikowana stała sprzężenia g, występująca tak w fizyce cząstek elementarnych (pola: jądrowe silne vjs i elektrosłabe vh) jak i w grawitacji (pole grawitacyjne vg). Wtedy: w = mu = ggvg , gdzie gg – stała sprzężenia pola grawitacyjnego.
Zależności te przekładałyby się prawidłowo i bezpośrednio na zapis w = mu = katn i zależności pochodne (przy ogólnej regule w = mu = katn + b), m.in.:
→ przy potraktowaniu ciemnej energii i ciemnej materii łącznie lub oddzielnie jako obie rozwojowe (n ≠ 1; a więc ciemna materia nie jest tu stałą), albo
→ przy ciemnej materii i zwykłej materii łącznie jako rozwojowe-nieliniowe (n > 1) i przy ciemnej energii jako stałej, albo
→ tylko przy zwykłej materii jako rozwojowej (n > 1) i przy ciemnej materii jako liniowej (n = 1), a ciemnej energii (b) jako stałej [8].
Ogólnie więc biorąc – zwykła materia jest masą ustrukturyzowaną, swoistym „dzieckiem” ciemnej materii, z której się genetycznie wywodzi, tak jak ciemna materia na tej samej zasadzie jest masą ustrukturyzowaną ciemnej energii [8].
2. DUALNOŚĆ (I NIETRYWIALNOŚĆ) MASY (USTRUKTURYZOWANEJ)
Jednym z problemów teorii akceleracji i równania struktur jest np. to czy we wzorze w = m = gv powinno wystąpić m (masa) czy mu (masa ustrukturyzowana). Czy świadczy to o głębszym zjawisku?
W matematyce i fizyce istnieją teorie dualne względem siebie. Dualność oznacza tu równoważność idei przy odmiennej formie, zapisie, aparacie matematycznym, który wyraził te koncepcje. Jednak tu odrębność, inne źródła, baza, zaplecze, rodowód i podstawy obu ujęć są gwarantem ich wartości, czyli tu – nietrywialności [5].
Tak było w historii fizyki wielokrotnie. Elektrodynamika kwantowa została w odrębny sposób wyartykułowana i zwerbalizowana matematycznie niezależnie przez Sin-Itiro Tomonagę, Juliana Schwingera i Richarda Feynmana (co zresztą dostrzegł potem Freeman Dyson). Podobnie było z teoriami kwantowymi Wernera Heisenberga i Erwina Schrödingera. To samo występuje przy różnych „składowych” i cząstkowych teoriach strun w ramach M-teorii (np. typ I teorii strun, typ IIB i heterotyczna teoria strun SO(32)) [5].
W nauce, w tym w fizyce cała siła twórcza postępu i tworzonych teorii wynika i opiera się na tym, że są one różne (czyli nietrywialne).
Zatem pojawiają się i rodzą nowe koncepcje i tworzą one własny system formalny – i dopiero potem analizowane są ich konsekwencje, powiązania i wpływ na „resztę świata”. Wielkie teorie w nauce często żyły własnym, późniejszym, niezależnym życiem, często (tak jak np. teoria względności Einsteina) zadziwiając ich autorów.
Wydaje się, że podobnie będzie z Teorią Wszystkiego – ona rozwija się na swój własny sposób i zgodnie ze swoimi prawami (tak jak to było np. z teorią strun – niezależnie od zamiarów tworzenia syntezy teorii względności i fizyki kwantowej).
Tak samo może być – choć w znacznie skromniejszym obszarze – z teorią akceleracji. Ona wyrasta z nieco innej gleby niż wiele teorii w fizyce, gdyż łączy historię życia z historią kosmosu. I chyba w tym może tkwić jej siła.
Zatem, choć masa ustrukturyzowana ma swoje przedłużenie w masie klasycznej (fizycznej) i jest z nią silnie związana, może więc w tym obszarze wiele osiągnąć. Jednak zapis m = gv realizuje zapis mu = gv, gdyż właśnie masa ustrukturyzowana odzwierciedla rozwój i ewolucję struktur (i wyrażona jest w punktach; np. mu elektronu jest równa 3,77 × 10-17pu) [7].
3. SYMETRIA STRUKTURYZACYJNA
Postęp w nauce, rewolucje i przełomy związane z nowymi paradygmatami polegały zwykle na przełamaniu antropocentryzmu [6] i dostrzeganiu pewnych symetrii, wspólnych zasad i mianowników jednoczących często różne obszary i dziedziny. Tak było z teorią grawitacji Newtona (łączącą „niebo z Ziemią”), teorią elektromagnetyzmu Maxwella (integrującą elektryczność z magnetyzmem) i teorią względności Einsteina (łączącą przestrzeń i czas) [8].
Jednak istnieją duże problemy z syntezą dotyczącą trzech oddziaływań – jądrowego silnego, jądrowego słabego i elektromagnetycznego oraz grawitacji.
Od końca lat 60. XX w. podejmowano próby stworzenia nadrzędnej teorii łączącej oddziaływania w przyrodzie, związanej z symetriami (czyli z możliwością zamiany cząstek między sobą w oddziaływaniach bez wpływu na wartość zapisu). Ogólnie istnieją w fizyce symetrie dotyczące punktowych cząstek, ale i symetrie zawierające przestrzeń i czas, a także czasoprzestrzenne symetrie występujące w grawitacji. Ona sama opiera się nie na symetrii względem zamiany punktowych cząstek, a na czterowymiarowej symetrii obrotowej, np. będącej tzw. symetrią Lorentza O(3,1).
W tym czasie Sidney Coleman i Jeffrey Mandula udowodnili, że niemożliwe jest połączenie symetrii obejmujących punktowe cząstki i symetrii obejmujących czasoprzestrzeń oraz grawitację. I tak np. łącząc symetrie związane z teorią wielkiej unifikacji (GUT) z grupą symetrii teorii względności O(3,1) pojawiały się w zapisach nieprawidłowości (np. masy cząstek ciągłe zamiast dyskretnych).
Jednak uważa się, że supersymetria, operująca nadrzędną symetrią związana z teorią superstrun obchodzi ten problem, gdyż operuje ona pojęciem tzw. superliczb. W klasycznej matematyce zachodzi a × b = b × a. Tymczasem przy superliczbach może zajść a × b ≠ b × a (a × b = -b × a i, a × a = 0 przy a ≠ 0). Ten punkt był istotny w twierdzeniu Colemana -Manduli, tzn. funkcjonowało ono tylko zgodnie z zapisem klasycznym, poza który wychodzi supersymetria, umożliwiając tym samym syntezę teorii wszystkich oddziaływań (z grawitacją łącznie).
Tyle supersymetria [3].
I właśnie tutaj teoria akceleracji operująca zasadą (czyli symetrią) związaną ze strukturami (masami ustrukturyzowanymi) i rachunkiem punktowym może być wstępem do symetrii łączącej powyższe cztery oddziaływania.
4. ODKRYCIE (W) TEORII WSZYSTKIEGO
Rozwiązanie problemu Teorii Wszystkiego nie obejdzie się bez hipersyntezy i hiperakceleracji. Musi więc wiązać się z Odkryciem – inaczej będzie to dodawanie kolejnym epicykli i deferentów (jak w astronomii przedkopernikańskiej) do istniejącej teorii.
W zapisie matematycznym hipersynteza również wiąże się ze zmienną n we wzorze w = katn + b, tyle że nie jest to tak jak w akceleracji funkcja potęgowa, trzeci wymiar i zwykła publikacja (n > 1, n = const) (w ciągu od edukacji przez antyedukację, twórczy prosty tekst, publikację do hiperpublikacji), a publikacja związana właśnie z Odkryciem, przełomem technologicznym, oraz postępem np. w astronomii i bioastronomii i połączona z funkcją wykładniczą, gdzie n jest zmienne (n >> 1, n ≠ const) – to niejako czwarty wymiar.
5. FIZYKA (W) ASTRONOMII
Wielu fizyków i astronomów traktuje astronomię jako dział fizyki (stąd termin ”astrofizyka”). Tak jak językiem fizyki jest matematyka (tu wkład np. teorii strun, teorii wymiarów, rachunek różniczkowy i całkowy itd.), tak językiem astronomii jest fizyka (tu chodzi o problemy, takie jak np. – energia gwiazd, promieniowanie mikrofalowe, inflacja kosmologiczna, czarne dziury, pulsary, ciemna materia i ciemna energia, promieniowanie grawitacyjne itd.) [8].
Zarazem to samo odnosi się do planetologii i lunarystyki (fizyka atmosfer, temperatura, zawartość tlenu, efekt cieplarniany itd., woda w kosmosie, fizyka egzoplanet i egzoksiężyców, ekstremalne warunki planetarne i lunarne, termodynamika, entropia, masa ustrukturyzowana itd.).
Masa ustrukturyzowana to aromorfotyczny poziom struktury astronomicznej związany z przełamaniem entropii i ewolucją kosmosu, czyli z rozwojem i powstawaniem wraz z upływem czasu coraz doskonalszych jego form.
Na każdym poziomie ewolucji kosmosu – jego struktur (od grawitonu do życia, zgodnie z równoważnością: w > 0 ⇔ Su(f) > 0, gdzie Su(f) – suma sygnatur, struktur cząstkowych figur) i oddziaływań występuje ten sam wzór – odrębny dramat i w jego wyniku otworzenie się i uformowanie nowej, jakościowej fazy. Wszystko przecież mogło pójść na drodze czysto ilościowych wzrostów (np. jako wysokoenergetyczne fotony gamma lub wysokomasowe czarne dziury). Jest to podobne do tzw. katastrofy w nadfiolecie, kiedy zamiast nieobserwowanego wzrostu energii promieniowania do nieskończoności, wyłoniły się jej kwanty [7] [8].
I właśnie astronomia plastyczna, niczym gotowa, realistyczna rzeźba dinozaura, stworzona na podstawie skamieniałości, to wszystko pokazuje.
6. NARODZINY KWANTOWEJ (PRAKTYKI) FIZYKI
U podstaw współczesnej fizyki, np. jako teoria kwantów, leżało zjawisko tzw. katastrofy w ultrafiolecie. Polegało to na tym, że nieobserwowane, nieskończone wartości energii promieniowania zostały wyrażone przez kwanty energii – i w sumie zostały zamienione na zgodny z empirią konkret. Podobne zjawisko występuje w różnych obszarach życia.
Wysokoenergetyczny foton gamma lub elektron mogły funkcjonować w tym „nieskończonym” świecie w nieskończoność. Jednak historia potoczyła się inaczej – powstała konkretna, „skwantowana” cząsteczka np. wody – wyższy poziom w ewolucji struktur kosmosu.
Przed podobnym dylematem stanął Wernher von Braun, jeden z twórców amerykańskiego programu kosmicznego. Najpierw jednak, w latach 50. miał on nieskończone marzenia o zasiedleniu kosmosu, w tym Marsa. Jednak pojawiło się na horyzoncie konkretne zadanie – lot na Księżyc. Sny o potędze więc przeoblekły się w konkretną serię dzieł – lotów astronautów aż do lądowań na Księżycu.
Podobnie człowiek prehistoryczny sprzed 10 tys. lat – nomad wpatrzony był w bezmierne gwiazdozbiory, które towarzyszyły mu w jego wędrówkach. Snuł opowieści o bóstwach i postaciach mitycznych zasiedlających niebo. Jednak pojawił się cel – rolnictwo i osiadła gospodarka rolna. To zredukowało jego pierwotne górnolotne życie do konkretnej sprawy – jednak nie wyparł się on dawnego życia: wszak Egipcjanie wykorzystywali astronomię do prognozowania zajęć rolniczych.
Tak samo młody człowiek w fazie kosmicznej rozwoju (a więc w okresie dojrzewania) ma nieziemskie aspiracje, jednak złamanie tej symetrii poprzez np. zrobienie magisterium czy doktoratu otworzyć może nowy, wymierny, konkretny, podzielony na części , rozdział życia.
Te wszystkie przedsięwzięcia poprzedza pewien dramat życiowy, który w jego rezultacie otwiera nową fazę rozwoju (tak jak istnieją różne fazy np. wody), będącą spełnieniem poprzedniego życia, jednak opartą na całkowicie nowej, jakościowej regule. Taka jest też relacja np. reintegracji do akceleracji i potem akceleracji do hiperakceleracji (a wcześniej – integracji wstępnej do dezintegracji – akurat tu jest regres – i dezintegracji do reintegracji).
Powyższy schemat jaskrawo łączy się z Teorią Wszystkiego, gdyż ta obejmuje problem ewolucji struktur we Wszechświecie. Tutaj np. samo wytrącanie się struktur (np. ciemnej materii i zwykłej materii) następuje przy „ścinaniu” nieskończonej ekspansji Wszechświata, przy kolejnych przechłodzeniach w formie nowych, „namacalnych”, wymiernych i odrębnych jakościach struktur (tak na przykład powstały pierwsze atomy).
Zatem chodzi tu po prostu o ideę, że powstawanie, wytrącanie się struktur i tworzenie mas ustrukturyzowanych (w ekspandującym Wszechświecie) można potraktować jako permanentną redukcję katastrofy w ultrafiolecie (włącznie z grawitacją; stąd podobny do wzoru Plancka zapis: mu = sA, gdzie s – liczba struktur, A – amplituda struktury).
Powyższy rysunek autora przedstawia powierzchnię, formy życia i przyszłą obecność człowieka na księżycu odkrytej planety pozasłonecznej.
Zwiastun – egzoksiężyc planety HD 28185 B
Materiały źródłowe:
1. „Grand Unified Theory”, Wikipedia.
2. „Grawitacja”, Wikipedia.
3. M. Kaku, „Wszechświaty równoległe. Powstanie Wszechświata, wyższe wymiary i przyszłość kosmosu”, Prószyński i S-ka, Warszawa 2006.
4. L. Lederman, C. Hill, „Dalej niż boska cząstka”, Prószyński i S-ka, Warszawa 2015.
5. „M – teoria”, Wikipedia.
6. T. Szulga, „Teoria akceleracji II. Metodologia odkryć w naukach przyrodniczych i ścisłych. Wizja astronomii plastycznej”, www.salon24.pl/u/ad-astra/, Internet, 2017.
7. T.Szulga, „Równanie struktur i życia kosmosu – geneza teorii w fizyce i astronomii”, www.salon24.pl/u/ad-astra/, Internet, 2017.
8. T. Szulga, „Teoria akceleracji III. Metodologia odkryć w naukach przyrodniczych i ścisłych. Wizja astronomii plastycznej”, maszynopis niepublikowany, Wrocław 2018.
9. „Teoria wszystkiego”, Wikipedia.
10. „Teorie wielkiej unifikacji”, Wikipedia.
Tagi: teoria wszystkiego
Inne tematy w dziale Technologie
