4. „Skruszanie się” fotonów w związku z rozszerzaniem się Wszechświata.

    Wszechświat rozszerza się, a wraz z tym wzrasta długość fali promieniowania reliktowego. Fotony tracą energię. Jak odbywa się to wydłużanie się fali? [Proces ten opisany został w szczególności w artykule poświęconym promieniowaniu tła. Tam jednak rozważyliśmy wyłącznie aspekt termodynamiczny, fenomenologiczny. Tutaj interesuje nas zaś aspekt strukturalny w skali najmniejszej. Interesujące, czy istnieje dopasowanie (a może nawet wzajemne dopełnienie) tych dwóch opisów.] „Jak więc odbywa się ten proces?” Chodzi oczywiście o wydłużanie się fali promieniowania reliktowego. Zauważmy, że zachodzi tu proces globalny i nieodwracalny, aż do momentu inwersji Wszechświata. W przeciwieństwie do tego, wydłużanie się fali w polu grawitacyjnym jest procesem odwracalnym – niejednokrotnie podkreślałem to, także procesem lokalnym. Natomiast promieniowanie reliktowe ma charakter nielokalny, a jego samo istnienie jest faktem o charakterze kosmologicznym.

    Czy przyczyną wzrostu długości fali promieniowania reliktowego jest osłabienie powszechnej grawitacji w związku z rozszerzaniem się Wszechświata? Odpowiedź: Nawet jeśli ktoś wiązać by chciał zmiany długości fali z grawitacją powszechną Wszechświata, to przecież ta słabnie, a więc zgodnie z ogólną teorią względności, byłaby to przyczyna raczej skracania się fal, a nie wydłużania się. Tak można by pomyśleć. Ale to nie dotyczy sprawy, gdyż teoria ta, w odniesieniu do Wszechświata-nadobiektu, nie sprawdziła się, nie jest relewantna, jako lokalna. Zatem nie tędy droga – tak w pierwszym wejrzeniu. [Á propos, kosmologiczne natężenie pola grawitacyjnego równe jest zeru (zgodnie z treścią naszych rozważań). Bardzo możliwe, że również potencjał (wypadkowy) jest zerowy, po uwzględnieniu ewentualnego wpływu neutrin tła. A przed uwzględnieniem? To już hipoteza bazująca jedynie na skojarzeniach, a nie na faktach empirycznych. ]

    A w drugim wejrzeniu? Możemy też do sprawy podejść inaczej. Oto co napisałem w eseju poświęconym czarnym dziurom: Przed chwilą ustaliliśmy, że długość fali promieniowania elektromagnetycznego, przechodzącego w polu grawitacyjnym (lub w nim emitowanego), jest tym większa, im silniejsze jest to pole. Wraz z rozszerzaniem się Wszechświata, wzrasta długość fali promieniowania stanowiącego relikt Wielkiego Wybuchu (Dziś promieniowanie mikrofalowe, odkryte przez Penziasa i Wilsona). Mogłoby to oznaczać sukcesywny wzrost globalnego potencjału grawitacyjnego. W samej rzeczy (?). Jak wiemy, potencjał ten jest liczbą ujemną. Wzrost potencjału oznacza więc malenie stałej c. Czy zatem wydłużanie się (w funkcji czasu) fali promieniowania reliktowego, świadczy bezpośrednio o sukcesywnym maleniu inwariantu c?*

  Podkreślam, że chodzi o proces nieodwracalny. Fale promieniowania reliktowego stopniowo wydłużają się. Przewidział to już Gamow po odkryciu ekspansji Wszechświata (Hubble). Rzecz opisałem z grubsza w artykule traktującym o promieniowaniu reliktowym, odkrytym przez Penziasa i Wilsona w roku 1964.

    Sukcesywne wydłużanie się fali tego promieniowania, fenomenologicznie tłumaczy się tym, że długość fali promieniowania elektromagnetycznego, zamkniętego we wnęce wzrasta wraz ze wzrostem rozmiarów tej wnęki. „Ta sama liczba fotonów zajmuje więcej miejsca, więc długość fali powinna być większa.” Taką wnęką jest Wszechświat, w dodatku pod warunkiem, że ogranicza go przestrzennie horyzont hubblowsko-grawitacyjny – patrz artykuł poświęcony masie Wszechświata**.

 Odkrycie promieniowania reliktowego o przewidywanych cechach było triumfem nauki. Nie jest to jednak powód, by spocząć na laurach. Opis fenomenologiczny to nie wszystko. Jak bowiem wytłumaczyć to stopniowe wydłużanie się fali na bazie wglądu w strukturę bytu, na bazie modelu plankonowego? Oznaczać by to mogło na przykład, że fotony w miarę wzrostu rozmiarów Wszechświata, jakby coś tracą, wskutek czego, coraz mniejsza jest łączna energia ich drgań wewnętrznych, coraz mniejsza ich częstotliwość; fala promieniowania jakie fotony te tworzą – wydłuża się. Dodajmy do tego (jeszcze raz), że w odniesieniu do promieniowania reliktowego (kosmologicznego), jest to proces nieodwracalny. [Inaczej ma się sprawa z promieniowaniem tworzącym się lokalnie, a nie kosmologicznym. Promieniowanie to po wyjściu z obszaru, w którym pole grawitacyjne jest znaczące, powraca do swych parametrów pierwotnych.]  

 Czy fotony promieniowania reliktowego stają się coraz mniejsze, mniej złożone? „Wykruszają się” w miarę upływu czasu? Czy gubią stopniowo plankony? Wszystkie w jednakowym stopniu, niezależnie od miejsca we Wszechświecie? Według innej wersji, choć nie gubią po drodze plankonów, już stopniowa zmiana stanu metrycznego przestrzeni związana z powiększaniem się rozmiarów powoduje ich „wydłużanie się”. Czy na prawdę chodzi wyłącznie o „zmianę stanu metrycznego przestrzeni”? Termodynamika fenomenologiczna kontra OTW? Chyba nie w tym kierunku należy iść.

Gdyby Wszechświat był, jak się uważa, znacznie większy, to długość fali promieniowania reliktowego byłaby znacznie większa od tej przewidzianej i potwierdzonej obserwacyjnie (odkrycie Penziasa i Wilsona). Właściwie cechy tego promieniowania stanowią dowód pośredni na to, że Wszechświat nie jest większy. Jakoś nie zauważono tego. Wszystkich obliguje inflacja (czego?), modele Friedmanna i ciemna energia. Nie dziw. 

Przecież już sam fakt wydłużania się fali maleńkich fotonów (w dodatku wszędzie w tym samym stopniu) świadczyć może o tym, że ekspansja Wszechświata zachodzi w każdej skali, nawet w skali struktury cząstek, a nie jak się to dziś sądzi – tylko w skali globalnej, wskutek pęcznienia przestrzeni. Skąd te maleństwa mogą wiedzieć co się dzieje z całym tym ogromem? Jak dotąd, takich wątpliwości nie werbalizuje się. Czy dla zachowania ostrożności wobec wszędobylskich mediów? A może już doszło do swoistego zaprogramowania „zrozumienia”, blokującego pytanie to (i wiele innych)?

   Całkiem możliwe, że Wszechświat jest w pełni zintegrowanym wewnętrznie „żywym” organizmem. W nim zasadnicze rzeczy, dziejące się w najmniejszej nawet skali, podporządkowane są całości i jej dynamice, a także odwrotnie – wyznaczają sedno rozwoju globalnego. Weźmy przykład z ustaleń nauki o fizjologii, z ustaleń medycyny holistycznej. À propos, przypomina to zasadę Macha. Ponad sto lat temu był to przebłysk genialnej intuicji. Nie dziw, że zasada ta zainteresowała tak bardzo Alberta Einsteina (i wielu innych).

    By roztrzygnąć kwestię fotonów promieniowania reliktowego, warto jeszcze raz podkreślić, że wydłużanie ich fali jest procesem nieodwracalnym (na tym etapie rozwoju Wszechświata). Sądząc po tym, że liczba plankonów tworzących strukturę fotonów określa ich rodzaj, przy czym cechy plankonów są absolutnie niezmiennicze; sądząc po powyższych wynurzeniach, jestem raczej za skruszaniem się, choć samo rozszerzanie się Wszechświata powinno być z nim skoordynowane. Nie są to, w moim przekonaniu, dwa zjawiska niezależne od siebie. Wszak Wszechświat jest zintegrowaną całością i jednością (wciąż wracamy do tego zasadniczego twierdzenia). Faktem, który by potwierdzał w tym kontekście „stopniowe skruszanie się” jest istnienie zmienności promieniowania tła, którego temperatura obniża się z czasem. Obniża się wszędzie jednakowo (znów zasada kosmologiczna). Stąd ścisły związek długości fali tego promieniowania z wiekiem Wszechświata i co za tym idzie, z jego rozmiarami.  

*) Dla przypomnienia, potencjał grawitacyjny Wszechświata wyraża się wzorem: φ = – c²/2. A jak to miałoby wyglądać od strony strukturalnej (budowa fotonu)?

**) Pisałem też o tym w jednym z artykułów serii traktującej o dualności grawitacji.

3. elektromagnetyzm a grawitacja – trochę przemyśleń w kontekście dualizmu i sporo pytań, na razie bez odpowiedzi

  Na tej plankonowo-elsymonowej bazie, sądzę, że można też opisać polaryzację fal elektromagnetycznych. Zobaczymy to dalej. Mimo wszystko sporo jest tu jeszcze do wyjaśnienia. Na przykład: Jaki jest mechanizm (na poziomie struktury, a nie fenomenologii) emisji fali elektromagnetycznej wskutek ruchu przyśpieszonego naładowanej cząstki (jest elsymonem)? Jak w ogóle zapatrywać się na sam „ruch” (z dowolnymi, względnymi prędkościami) wobec inwariantności samych plankonów? Czym jest w tym kontekście przyśpieszenie?  Wiąże się to też z potrzebą (nie zawsze uświadamianą) rozróżnienia między jakościami  lokalnymi, a nielokalnymi. Nie zawsze to jest łatwe, a dziś... któż w ogóle o tym mówi (i myśli)?

 Ogólna teoria względności bazuje na tak zwanej zasadzie równoważności, pozwalającej na utożsamienie „siły” bezwładności z siłą grawitacyjną. Jeśli cząstka naładowana (i swobodna) znajduje się w układzie nieinercjalnym i jest z nim związana, jest źródłem promieniowania elektromagnetycznego. (Układy cykliczne nie promieniują.) Dostrzec w tym można jakiś związek między grawitacją, a elektromagnetyzmem. Właściwie nie jest to nowością. Rzecz znana ze szkoły, już przez to, że prawo Coulomba jest formalnie identyczne z newtonowskim prawem powszechnego ciążenia, a prawo Gaussa słuszne jest w obydwu przypadkach. W kontekście naszych rozważań interesujące jest spostrzeżenie Kaluzy. [Chodzi o to, że jeśli do trzech percepowanych przez nas wymiarów przestrzennych dołożyć czwarty, równania Einsteina (opisujące grawitację) przybierają postać równań Maxwella, opisujących pole elektromagnetyczne. W roku 1926 szwedzki matematyk Oskar Klein opublikował wersję poprawioną pracy Kaluzy. Dziś nazywa się to teorią Kaluzy-Kleina.] Być może wskazuje ono na dość obiecujący kierunek dla dalszych poszukiwań. Myślę, że zgodzić się można z sądem, że chodzi tu jednak o aspekt fenomenologiczny zagadnienia, a nie (interesuący nas tutaj i stanowiący sedno sprawy) aspekt strukturalny. Swoją drogą, ten „strukturaly” opis powinien być spójny z fenomenologicznym.

Dodanie czwartego wymiaru przestrzennego przez Kaluzę kojarzy mi się ze skokiem jakościowym w momencie pojawienia się oddziaływań elektromagnetycznych w początkach przemiany fazowej. W zasadzie w tym samym czasie (a właściwie nawet nieco wcześniej) pojawiły się oddziaływania silne – ładunek elektryczny jeszcze nie osiągnął wartości docelowej, ale w kwarkach jego ułamkowa wartość jakby zamroziła się. Oddziaływania te, jak wiadomo, są silniejsze niż elektromagnetyczne, a to dlatego, gdyż gdy się wyodrębniały, zasięg oddziaływania był krótszy. Tu przypomina się wykres – zależność siły od odległości przy opisie układu dwóch plankonów, z tym, że chodzi tu o układy znacznie bardziej złożone.

Czy to oznacza, że dla opisu oddziaływań silnych należy w równaniach Einsteina rozszerzyć przestrzeń o jeszcze jeden wymiar? Raczej chyba nie, gdyż oddziaływania silne mają być pierwotne w stosunku do elektromagnetycznych, a dodatkowo, grawitacja nieco niżej staje się odpychaniem – tego ogólna teoria względności nie przewiduje. Być może w tym tkwi przyczyna tego, że wprowadzanie dodatkowych wymiarów w teoriach superstrun na niewiele się zdało, a pozostała z tego tylko czysta matematyka. Oto co podpowiada mi wyobraźnia.      

Ktoś zainspirowany przez treść mej książki, a także tym, co wniosła właśnie koncepcja superstrun, mógłby uznać, że zwinięcie czwartego wymiaru (grawitacyjnego), jako elementarnego, czyli funkcjonującego w skali elementarnej (niedostępnej obserwacji) pozostawia „na widoku” elektromagnetyzm. Czy dlatego grawitacja jakby znika gdy badamy materię w aspekcie elektromagnetycznym? Czy dlatego mechanika kwantowa, dla której oddziaływanie elektromagnetyczne jest przecież oddziaływaniem bazowym, obywa się bez grawitacji? Fenomenologicznie byłoby to do przyjęcia. A faktycznie? Wiemy dlaczego w skali subatomowej grawitacja jest tak słaba. 

    Czym strukturalnie jest ładunek elektryczny i co sprawia, że spełnione jest zawsze prawo jego zachowania? Jak uzgodnić przedstawiony tu model z maxwellowską teorią elektromagnetyzmu, modelującą rzeczywistość fenomenologicznie w percepowalnej przez nas skali? Jest jeszcze sporo problemów do rozwiązania, wydaje mi się jednak, że zaprezentowany tu kierunek badań jest dość obiecujący i wcale niesprzeczny także z tym, co do sprawy wniosły badania Kaluzy.  

2. Dualizm korpuskularno-falowy deterministycznie - fotony

   Załóżmy, że mamy do czynienia z mnogością fotonów tego samego rodzaju. Tworzą one monochromatyczną wiązkę na przykład światła. Są to fotony o jednakowej, charakterystycznej, częstotliwości drgań własnych, a więc także oscylacji natężenia pola grawitacyjnego wokół nich.

To jak to jest? Czy fotony są (czy też nie) wysycone grawitacyjne? „Jeśli wysycone, to wokół nich pole nie istnieje. Przecież ich masa grawitacyjna równa jest zeru.” Ale przecież drgania istnieją. Jak to pogodzić? Możemy to sobie przedstawić tak: Wyobraźmy sobie dwie sinusoidy: jedna biegnie wzdłuż osi OX, a druga wzdłuż osi aX (a > 0). Jeśli sinusoidy te przedstawiają zmiany natężenia pola grawitacyjnego, to w pierwszym przypadku jest ono w uśrednieniu czasowym równe zeru, a w drugim przypadku jest większe od zera – to byłyby cząstki masywne. 

    Oscylacje te oczywiście przemieszczają się wraz z fotonami, a więc ich prędkość równa jest c. Fale grawitacyjne? Chyba tak. Mamy tu (Uwaga!) wyjaśnienie dlaczego ich prędkość równa jest prędkości światła. Wyjaśnienie bez super-matematyki i nie na bazie „jedynej prawdziwej teorii”. Tworzą one przestrzenny układ zrezonowany grawitacyjnie, który nam się jawi jako fala manifestująca się w skali naszych doznań dyfrakcją, oraz interferencją. Ujawnia się w tym także dualizm korpuskularno-falowy, gdyż w źródle, oraz na ekranie (przeszkoda) ujawniają się cechy korpuskularne promieniowania. Stąd tylko krok do „fal materii” de Broglie. Przecież w gruncie rzeczy to nie istotne, czy mamy strumień fotonów, czy elektronów. W obu przypadkach w strukturze elementarnej mamy do czynienia ze zmiennym z powodu drgań polem grawitacyjnym. O tym dalej. Czy to fala grawitacyjna? Pytam znów. Tak można to odebrać (lub opisać). Na razie piszę to trochę nieśmiało.

Do nieśmiałości pobudza mnie to, że prędkość cząstek masywnych jest mniejsza niż c, więc fale grawitacyjne towarzyszące tym cząstkom powinny mieć mniejszą prędkość rozchodzenia się, bo przecież mają tym cząstkom towarzyszyć. [Nie byłoby to zgodne z interpretacją OTW, według której, fale grawitacyjne mają prędkość c i tylko c. [Dodajmy, że ruch cząstek masywnych posiada cechy lokalności (jest względny). To jak to jest z prędkością fal grawitacyjnych mających reprezentować cząstki masywne?]

    Interesujące, że jednak nie są to prędkości ciał w otoczeniu naszej bezpośredniej percepcji. Zawsze zastanawiało mnie to, że swobodne cząstki mikroświata, wszystkie, poruszają się z prędkościami dosyć dużymi, co najmniej rzędu tysięcy kilometrów na sekundę. Mnie to zastanawiało zawsze. Jakby miały w sobie pierwiastek niezmienniczości. W każdym bez wyjątku laboratorium stwierdzamy to samo. Z całą pewnością zastanowiło to także niejednego z Was.

    Częstotliwości drgań w strukturze cząstki, siłą rzeczy są bardzo duże, bo w skali struktury cząstek grawitacja jest bardzo silna. Przy tym masy samych cząstek są stosunkowo małe. Patrząc na to wyłącznie intuicyjnie, można pokusić się wiec o nieśmiałe przypuszczenie, że z tym właśnie wiąże się zagadka dużej prędkości cząstek – nie mogą być mniejsze od jakiejś granicznej, niezależnie od układu odniesienia. Jaka jest wartość tej najmniejszej prędkości? To problem nietuzinkowy (jeśli przyjąć, że istnieje). Przecież ruch jest wielkością względną, a prędkość zależy od układu odniesienia. A jednak nie wykrywamy elektronów poruszających się z prędkością samochodu, a prędkość zerowa, to już zbytek.

    Tak otrzymaliśmy wyjaśnienie dość spójne, choć na razie tylko jakościowe (i „mechanistyczne”), dualizmu korpuskularno-falowego, który uznany jest, i słusznie, za jedną z zasadniczych cech przyrody. Dziś kwituje się istnienie tego dualizmu sakramentalnym stwierdzeniem: „Tak to już jest”, wskazując na doświadczalne źródło dla tego przekonania i wiążąc ten przyrodniczy fakt z kwantowością. Nie jest to jednak faktycznym wyjaśnieniem (podobnie jak w przypadku zakazu Pauliego). W celu wyjaśnienia należało bowiem zejść znacznie niżej w hierarchii struktur. To to, co uczyniliśmy. Czy prawidłowo? To się okaże. To dopiero pierwszy krok, na razie jakościowy. Ale uczynić ten krok należało, już choćby po to, by stworzyć motywację dla potrzeby sprawdzenia. W tym przejawia się postęp.

    Mechanika kwantowa wnioskuje na podstawie zachowania się cząstek, patrząc na materię niejako z góry (szkiełko i oko). My wychodząc z dołu ku górze, z koncepcji grawitacyjnego bytu absolutnie elementarnego tworzymy podstawy dla opisu struktury cząstek na wskroś deterministycznego. Daje to możliwość (przynajmniej potencjalną) „projektowania” ich własności dla konfronacji z tym, co daje empiria. Obydwa podejścia dopełniają się nawzajem.  

    Często intuicyjnie rozróżnia się wprost pomiędzy dualizmem fotonów (w związku z kwantyzacją, czyli porcjowaniem energii promieniowania w ramach jego elektromagnetycznej natury), a dualizmem w odniesieniu do cząstek masywnych. Tu mowa jedynie o prawdopodobieństwie (fale prawdopopodobieństwa). Tę przyjętą powszechnie „probablistyczność” oczywiście od razu rozszerzono na wszelkie cząstki. I słusznie, gdyż (tak między nami) prawdziwym źródłem tego, w obydwu zresztą przypadkach, jest grawitacja (to już ode mnie). Jestem pełen podziwu i szacunku dla twórców mechaniki kwantowej, między innymi w związku z tym, że nikt grawitacji o udział w tym wszystkim nie podejrzewa. Nawet dziś...  Mnie było więc znacznie łatwiej. Fantazje? A niech tam.