NA DRODZE DO INNEJ FIZYKI

Gdzie jest ta droga i do jakiej fizyki prowadzi?

Otworzyły ją dwa zespoły badawcze astronomów :

jeden pod kierunkiem dr S.Perlmuttera ,drugi pod kierunkiem A.RiesSa i B.Schmidta, publikując dwie prace [1,2] z wynikami obserwacji gwiazd zwanych supernowe Ia. Pierwszy zespół, prace prowadził przez jedenaście lat, drugi przez cztery lata.

Prace obydwu zespołów zostały uhonorowane nagrodą Nobla w roku 2011,co już to – biorąc pod uwagę krótki odstęp czasu jaki upłynął od weryfikacji wyników badań i obserwacji- może sygnalizować o doniosłości ich odkrycia dla naszej wiedzy o budowie i życiu wszechświata.

S.Perlmutter urodził się w 1959 r. i studiował na Harvard University, a tytuł doktora otrzymał w 1986 roku na University of California w Berkeley. Jest członkiem National Academy of Sciences i American Academy of Arts and Sciences, a od 2003 r. również American Association for the Advancement of Science. Jest też laureatem licznych nagród i wyróżnień. Pracuje na Uniwersytecie kalifornijskim.

A.Riess urodził się w 1969 roku w Waszyngtonie, studiował na Massachusets Institute of Technology, doktorat zrobił na Harvard University, pracuje w Space Teleskope Science Institute, gdzie koordynuje pracę Kosmicznego Telskopu Hubblea.

B.Schmidt urodził się w 1967 roku , Missoaula, stan Montana, doktorat obronił w 1993 na Universytecie Harvarda, posiada obywatelstwo amerykańskie i australijskie, pracuje w Obserwatorium Mount Stromlo Australijskiego Narodowego Uniwersytetu.

Niezwykłe jest to , że doniosłe odkrycie obydwu zespołów nie było celem pracy, nie poprzedziła go żadna hipoteza wstępna i zostało dokonane przypadkowo.

Pozostałość po supernowej typu Ia

Supernowa typu Ia , to odmiana gwiazdy supernowej, powstająca w wyniku eksplozji białego karła. Eksplozje supernowych typu Ia uwalniają najwięcej energii spośród wszystkich znanych rodzajów supernowych. Ich eksplozje mają charakterystyczne krzywe blasku i wszystkie osiągają podobną maksymalną, absolutną jasnośćok. -19,3 magnitudo.

Podobieństwo kształtów krzywych blasku wszystkich znanych supernowych typu Ia umożliwiło zastosowanie ich jako tzw. standardowych świec w astronomii pozagalaktycznej.

Dzięki temu, mierząc jasność obserwowaną i porównując z jej wartością teoretyczną, astronomowie mogą w łatwy sposób obliczyć odległość od gwiazdy i od jej macierzystej galaktyki.

Hipotetyczny model powstawania supernowej typu Ia przez zderzenie się dwóch białych karłów.

I właśnie w trakcie takich rutynowych pomiarów ,w odniesieniu do blisko 50 gwiazd supernowych Ia , stwierdzono iż te obiekty poruszają się coraz szybciej , oddalając się od nas!

Odkrycie to, zostało w następnych latach potwierdzone dziesiątki razy, przez różne międzynarodowe zespoły astronomów, innymi metodami obserwacji.

Tymczasem od dawna twierdzimy, że wszechświat powinien hamować, a nie przyspieszać !

Oczywiście ,odkrycie Perlmuttera, Riessa i Schmidta kieruje uwagę do paradygmatu standardowej kosmologii o akronimie BB – Big Bang.

O tym , że wszechświat ekspanduje wiemy już od 1929 roku ,kiedy E.Hubble odkrył i zbadał rozbieganie się galaktyk, które sugeruje rozszerzanie się wszechświata.

Prędkość oddalania się galaktyki mierzył efektem Dopplera tzn. przesunięciem ku czerwieni całego widma [zarówno emisyjnego jak i absorpcyjnego] galaktyki. Między przesunięciem z ,a prędkością ucieczki galaktyki v jest relacja

1 + z = [(1 + v/c):(1 – v/c)]^1/2

Z pomiarów wykonanych dla 1355 galaktyk [3] otrzymał proste prawo zwane od tej pory w astronomii prawem Hubllea

V= H(0)*r

Z którego można odczytać ,że prędkość v oddalania się galaktyk jest proporcjonalna do ich odległości r od obserwatora.

A ponieważ im dalsza galaktyka, to starsza[ światło od tej dalszej biegnie dłużej i oglądamy obraz galaktyki sprzed laty],więc dawniej galaktyki miały większą prędkość ,aniżeli obecnie.

Wszechświat się rozszerza, ale coraz wolniej – twierdziła i twierdzi nadal standardowa kosmologia w podręcznikach i monografiach wydanych przed rokiem 1998..

Oczywiście, twierdzenie to jest logicznym wnioskiem z modelu czasoprzestrzeni w ramach paradygmatu BB.

Przedstawię teraz schemat dowodzenia prawdziwości tego twierdzenia.

Skoro był Big Bang, to jak to przy wybuchu: rozlatujące się fragmenty mają największą prędkość w pobliżu punktu zerowego, a później zwalniają, są hamowane, jeśli działa pole grawitacyjne.

Standardowa kosmologia korzystając z równania Friedmanna-Lamaitrea-Robertsona-Walkera[FLRW] na metrykę ,która opisuje geometrię czasoprzestrzeni ,

oraz z równania pola Einsteina

$G_{\mu \nu} + \Lambda g_{\mu\nu} = {8\pi G\over c^4} T_{\mu \nu}\,$

wyprowadza i przedstawia równanie Friedmanna na tak zwany czynnik skali a(t),który jest miarą tempa ekspansji i pokazuje jak rosną z czasem odległości

a mając to równanie można uzyskać równanie przyspieszenia ekspansji wszechświata

Oczywiście jest to opóźnienie [przyspieszenie ujemne, czyli o zwrocie przeciwnym do zwrotu prędkości],czyli wszechświat ekspanduje, ale coraz wolniej.

Jeśli materia we wszechświecie wywiera dodatnie ciśnienie p, to powoduje ono dodatkowo zwiększenie grawitacji i jeszcze większe spowolnienie ekspansji.

Tak więc odkrycie Perlmutera-Riessa ,że ekspansja wszechświata ma dodatnie przyspieszenie, wstrząsa standardową kosmologią.

Odkrycie Perlmuttera –Riessa jest najważniejszym wydarzeniem w nauce, od początku odkrycia galaktyk i zjawiska rozszerzającego się wszechświata, czyli od lat dwudziestych ubiegłego wieku.

Od tego odkrycia ,owej pionierskiej grupy badawczej astronomów [a dokładnie od publikacji raportu na jego temat] w tym roku minie piętnaście lat, a fizyka bardzo powoli uświadamia sobie potworne konsekwencje tego odkrycia.

Mylą się ci ,którzy próbują go wsadzić do szufladki bieżących odkryć w dziedzinie wiedzy o wszechświecie, jakie codziennie są udziałem wspaniale wyposażonych obserwatoriów.

Są śmieszni powtarzając w kółko:

panowie nic się nie stało, nic się nie stało. To tylko drobne niejednorodności, lokalne odstępstwa.

Wszechświat jest z grubsza jednorodny i izotropowy i ekspanduje coraz wolniej zgodnie z modelem standardowej kosmologii.

W istocie rzeczy stanęliśmy bowiem przed szokującym dylematem:

Albo nasza wiedza o składzie i budowie wszechświata jest całkowicie fałszywa.

Albo nasza fizyka [, a dokładnie pisząc –ogólna teoria względności, na której opiera się standardowa kosmologia] jest całkowicie błędna.

Przez kilkanaście lat ,jakie minęły do publikacji prac Perlmuttera – Riessa [1,2] próbowano rozwiązać ten dylemat i próby dalej są podejmowane. Widzę dwie linie postępowania przy tym.

Pierwsza polega na utrzymaniu GR Alberta Einsteina i paradygmatu BB przy odpowiedniej modyfikacji i wprowadzaniu nowych, hipotetycznych bytów kosmicznych.

Już gimnazjalista by zauważył ,że w tensorze napięć[energii-pędu] występuje ciśnienie [jego rozkład przestrzenny], no to przy ujemnym ciśnieniu, odpowiedniej wartości pojawi się grawitacyjna siła odpychania !Wystarczy przyjrzeć się równaniu przyspieszenia.

A jak jest stała siła odpychania to musi być przyspieszenie – no i po kłopocie.

Łatwo wykazać ,że ujemne ciśnienie pochodzi od ujemnej energii, czyli

wszechświat jest wypełniony ujemną energią [równoważna nazwa “ciemna energia”].

Badania w ramach projektu WAMP [4] przemawiają za tym , że skład fizyczny poznanego wszechświata jest taki, iż może wywołać szok u myślącego czytelnika:

72,8% ciemnej energii,

22,7% ciemnej materii

4,6% materii zwykłej.

Oto bowiem 95,4 % tego w czym żyjemy, ma charakter hipotetyczny, jest produktem naszej -takiej a nie innej- wiedzy prawdopodobnej, niepewnej, wymyślonej ad hoc dla ratowania jej samej.

Chcąc ratować paradygmat BB i ogólną teorię względności A.E. wymyślamy “ciemną energię “ nic o niej nie wiedząc poza tym ,że powinna dawać grawitację odpychającą .

Chcąc ratować dynamikę Newtona i jego teorię grawitacji ,wymyślamy “ciemną materię” nie wiedząc wciąż, jaka jest jej natura i jakim podlega prawom.

Stosujemy więc uporczywie metodologię określoną trafnie już w starożytności :”ignotum per ignotum”.

Druga linia postępowania w obliczu niesłychanego wstrząsu jakiego doznała kosmologia współczesna przez odkrycie Perlmuttera-Riessa, polega na próbach tworzenia modelu wszechświata z odrzuceniem klasycznych wersji teorii względności, oraz mechaniki kwantowej.

Jest kilka projektów, godnych uwagi i dalszych studiów, dlatego że zawierają propozycje eksperymentów sprawdzających. Wymienię je:

membranowy model wszechświata,

holograficzny model wszechświata,

entropowy model wszechświata,

pole skalarne,jako quinta essentia wszechświata.

Pierwszy model jest bardzo pięknie opisany[bo bez przesadnych dla niespecjalisty- ujęć formalnych, matematycznych] przez jego autorkę Lisę Randal w pracy popularnej [5],którą recenzowałem tutaj.

Podczas głębszych studiów nad każdym z wymienionych powstaje nieodparte przeświadczenie ,że nic skuteczniej i lepiej nie ukazuje wielkiej tajemnicy, jaka tkwi w istnieniu wszystkiego ,aniżeli wciąż powiększana i rozwijana wiedza ludzka.

Ten dynamiczny marsz ludzkiej wiedzy, ku potęgującej się Tajemnicy istnienia jest oczywistym dowodem ,iż gatunek ludzki spełnia swoją misję, swoje przeznaczenie.

Literatura

[1] S. Perlmutter et al. Measurements of Omega and Lambda from 42 High-Redshift Supernovae. Astrophys. J., 517:565–586, 1999.arXiv : astro-ph/9812133

[

2]. Adam G. Riess et al. Observational Evidence from Supernovae for an Accelerating Universe and a Cosmological Constant.

Astron. J., 116:1009–1038, 1998. arXiv : astro-ph/9805201 .

[3].A.Liddle, Wprowadzenie do kosmologii współczesnej, Prószyński i S-ka,Warszawa,2000,str.21

[4]. A.Silvestri ,M. Trodden ,Approaches to Understanding Cosmic Acceleration,Rep. Prog. Phys. 72 096901,2009, arXiv: 0904.0024

[5]L.Randall, Ukryte wymiary wszechświata,Prószyński i Ska,Warszawa,2011,str.326-524