Jak to jest z masą Wszechświata?
Treść
Wstęp – dlaczego masa?
1. Szacujemy masę
Wszechświata.
2. Promień
(Schwarzschilda) Wszechświata.
3. Masa
Wszechświata sukcesywnie wzrasta.
4. Mechanizm
wzrostu masy Wszechświata.
5. Refleksje i przemyślenia w kontekście szacowania masy
Wszechświata, czyli: pospekulujmy. Problem
wysycenia.
Á
propos
Wstęp – dlaczego masa?
Jedną z konkluzji już w początkach naszych
rozważań kosmologicznych było stwierdzenie, że
Wszechświat obserwowalny, ograniczony przez horyzont hubblowski, stanowi
absolutną wszystkość. Do tezy tej powracać będziemy
wielokrotnie. Prowadzi to do wniosku o ograniczoności ilościowej
Wszechświata, a nawet do konkluzji, że niezmienna jest też jego zawartość
substancjalna, pomimo mnogości zachodzacych w niej
przemian. Niezależnie od tego, także przyjęcie koncepcji Wielkiego
Wybuchu, najbardziej dziś uzasadnione, pociąga za sobą możliwość,
jeśli nie konieczność (nie zawsze uświadamianą), akceptacji takiego
właśnie podejścia. Wszak, jeśli coś wybuchło, nie może być
nieograniczone ilościowo. Jakoś na to nie zwraca się uwagi. Bo to oczywiste? Wcale nie jestem pewien.
Już potwierdzenie
przewidywań (ilościowych) dotyczące promieniowania reliktowego (patrz artykuł trzeci siódmy), świadczy o tym, że
obserwowany Wszechświat jest wszystkością, a jego aktualne rozmiary określa
wartość współczynnika H i oczywiście wielkość inwariantu c. W związku z tym, że
Wszechświat jest ograniczony ilościowo, określanie masy Wszechświata ma
więc jakiś sens, bo
jest możliwe. Nie miałoby sensu, gdyby Wszechświat
był nieskończony lub jego rozmiary były nieokreślone, a także gdyby była nieokreślona jego zawartość materialna.
Wówczas parametr gęstości (W) byłby jedynym sensownym
parametrem informującym o zawartości materialnej Wszechświata. Dziś o jego
masie właściwie nie mówi się. O czym to świadczy? Chyba o tym, że, z jednej strony nie udało się na bazie dotychczasowych (w
dalszym ciągu obowiązujących) poglądów określić
jednoznacznie rozmiarów pełnych Wszechświata [Domniemana średnica 92 miliardów lat świetlnych, to rezultat koncepcji, a
nie pomiaru, koncepcji, która okazać się może niewypałem; chodzi o tzw. współrzędne współporuszające się w związku
z autonomicznością ekspandującej przestrzeni.]; z drugiej zaś, intuicyjnie, może
podświadomie, w dalszym ciągu, odbiera się Wszechświat jako byt nieskończony (lub coś w tym rodzaju), pomimo prawie stu lat
rozwoju nauki i dzisiejszego przekonania o istnieniu ewolucji Wszechświata i pomimo deklaracji o jego zmienności. Czy
coś nieskończonego może być zmienne?
Nie mówi się więc dziś w zasadzie o masie
Wszechświata. Jej określenie na podstawie obserwacji byłoby syzyfową pracą. Po
prostu „nie wszystko można zobaczyć”. Poza tym ekstensywność*
masy wobec dociekań siłą rzeczy bazujących na obserwacji (bez możliwości
przeprowadzenia eksperymentu), nie stanowi bazy dla uogólnień, dla uzyskania
obrazu całościowego. Z tego powodu, i na tym etapie słusznie, kosmologia współczesna
posługuje się intensywnym* parametrem gęstości. Dla przypomnienia, równy on
jest stosunkowi gęstości średniej Wszechświata do jego gęstości krytycznej.
A jednak, jeśli
rezygnujemy z OTW i z równania Friedmanna (warto sprawdzić tę ewentualność,
jeśli istnieje), to w myśl konkluzji, do
jakich doszliśmy już w artykułach poprzednich, również stosowanie
pojęcia gęstści krytycznej jest jakby anachronizmem, bo przecież, jak się okazuje, to jedyna gęstość istniejąca. W tej
sytuacji parametr gęstości
Ω = 1, a jego przydatność w kosmologii maleje do
zera – wszak z obserwacji wynika, że geometria
Wszechświata jest płaska. Co więc pozostaje? Oczywiście masa (Bo
cóż innego?), pod warunkiem, że rzeczywiście można określić
globalną zawartość materialną Wszechświata. Czy można? Już sądząc po
dotychczasowych rozważaniach, możliwości
takiej wykluczyć nie można. Spróbujemy więc możliwość tę przetestować.
Zajmiemy
się więc masą. Tym stworzymy bazę dla przemyśleń i konkluzji
wykraczających poza standard, konkluzji falsyfikowalnych, a nawet
antycypujących efekty zgodne z obserwacją. Mimo wszystko to nie Wielka Nowa
Teoria, a tylko i wyłącznie testowanie określonej koncepcji, która nie
pojawiłaby się, gdyby wszystko w dzisiejszej kosmologii i astrofizyce było OK.
A nie jest. W odniesieniu do „masy Wszechświata”,
zasadność pójścia tą inną drogą sygnalizowałem już wcześniej, przy tym
potwierdzają tę zasadność wyniki poniższych dociekań – chyba dość
zachęcające... (czy) do odrzucenia,
kategorycznego i bez uzasadnień...(?). Przy tej okazji
gorąco zachęcam do lektury artykułów serii
poświęconej dualności grawitacji w pierwszej części książki.
I jeszcze jedno. Poniżej przedstawię rozumowanie, logiczny ciąg zdań. To jednak nie
gwaratuje, że wszystkie konkluzje będą pewnikami. Nie jest łatwo, szczególnie
tu, ustrzec się pułapek logicznych. Z tego powodu, pojawiające się w biegu spekulacje i hipotezy
powinny być zweryfikowane. Na tym etapie nie wszystko jest zamknięte. Stokrotne
dzięki tym, którzy dostrzegą opcje, których nie odkryłem, opcje czyniące rzecz
jeszcze bardziej spójną. Swoją drogą, oddzielmy rzeczy zasadnicze od
szczegółów, które dalej okażą się nie najistotniejsze. Ważny jest przecież
punkt wyjścia i ostateczne wnioski, oby konsystentne z wynikami badań.
1. Szacujemy masę Wszechświata.
Nie jest trudno to zrobić w odniesieniu
do obiektów obserwowalnych. Masa kuli ziemskiej równa jest 6·10^24kg, masa Słońca jest 333000 razy większa od masy Ziemi, czyli równa
jest około 2·10^30kg. Masę przeciętnej galaktyki szacuje się na
sto miliardów mas słonecznych, a liczbę łączną galaktyk szacuje się
identycznie. Ostatecznie masę świecących obiektów Wszechświata oszacować można
na 2·10^52kg. Oszacowanie przeprowadzić możemy też w inny sposób. Otóż
obserwacyjne zliczenia galaktyk dają ich uśrednione zagęszczenie. Okazuje się,
że średnio jedna galaktyka przypada na 1Mps (megaparsek)**. Jeśli przyjmiemy,
że najdalsze obiekty świecące znajdują się w odległości 15 miliardów lat
świetlnych, przyjmując, że Wszechświat stanowi kulę o tym promieniu i jest jednorodny, otrzymujemy łączną jego masę,
równą: 8,2·10^52kg. Wynik ten nieźle zgadza się z poprzednim
oszacowaniem (ten sam rząd wielkości). Można nawet „wyjaśnić”, że jest
większa, gdyż uwzględnia masę materii, która jeszcze nie świeci gwiazdami,
materii zbyt na to młodej, materii zalegającej gdzieś w pobliżu horyzontu. „O
naiwności! To przecież przypadek”.
W naszym wstępnym oszacowaniu braliśmy pod
uwagę jedynie obiekty świecące, manifestujące swą obecność emisją promieniowania,
w szczególności światła. Należałoby wziąć też pod uwagę masę materii
zalegającej w pobliżu horyzontu (jak wyżej wspomniałem kursywą), materii zbyt
młodej, by mogła już świecić światłem gwiazd. Z badań wiarygodnych wynika, że
materia świecąca pierwszych protogalaktyk pojawiła się około półtora miliarda
lat*** po Wielkim Wybuchu. Czas ten stanowi około 10% dzisiejszego wieku
Wszechświata. Można przypuszczać więc, że masa jego niedostrzegalnej części
stanowi dość istotny składnik masy łącznej (rzędu 10%).
Najprawdopodobniej istnieje też materia nie
świecąca – w galaktykach i ich zbiorowiskach i być może także w rozległych obszarach
międzygalaktycznych. Jej masa nawet przewyższa masę materii świecącej. Według
dzisiejszych oszacowań nawet pięciokrotnie. O istnieniu tej ciemnej materii
świadczyłyby dane obserwacyjne. Już w latach trzydziestych ub. wieku zauważono
„nadmiernie” szybkie ruchy (radialne – red-shift)
galaktyk w gromadach, jakie tworzą (gromada w Warkoczu Bereniki – Fritz Zwicky;
gromada w Pannie – Sinclair Smith), a mimo to nie widać, aby gromady te
rozpadały się. Widocznie masa łączna gromady jest znacznie większa. Zauważono
też, że rotacja licznych galaktyk jest zbyt szybka, by spora liczba gwiazd
tworzących je, mogła stanowić układ stabilny. Wniosek: rzeczywista masa
galaktyk jest znacznie większa, większa dzięki masie ciemnej materii.
Tu warto (i wypada)
wspomnieć o próbie stworzenia alternatywy dla ciemnej materii. W latach
osiemdziesiatych ub. wieku, Moti Milgrom, profesor Instytutu Weizmanna w
Izraelu opracował teorię stanowiąca modyfikację drugiej zasady dynamiki
Newtona, o nazwie MOND (Modified Newtonian Dynamics). Wnikliwe badania w latach następnych
nie potwierdziły słuszności tej teorii. W tym momencie proponuję chociaż na chwilkę powrócić do treści artykułów piątego i siódmego pierwszego i trzeciego.
O
istnieniu ciemnej materii, tym razem w przestrzeniach międzygalaktycznych,
świadczyłyby też intensywne ruchy własne galaktyk nie uzasadnione niczym innym,
a także wynik analizy ilościowej efektu soczewkowania grawitacyjnego,
zaobserwowany podczas badania odległych gromad galaktyk. [Na istnienie ciemnej materii wskazują badania ostatnich
lat, przeprowadzone z pomocą teleskopu Hubble. Okazuje się, że galaktyki
rozmieszczone są tak, iż tworzą jakby strukturę
piany. Metodą soczewkowania grawitacyjnego przebadano obszary zajęte przez
galaktyki. Właśnie w tych obszarach znaleziono ciemną materię.] Na
możliwość istnienia ciemnej materii zwróciłem uwagę już wcześniej. Można
oczekiwać, że ciemna materia w przestrzeniach międzygalaktycznych, a także w
samych galaktykach, stanowi relikt wczesnego stadium Wybuchu,
jeszcze zanim pojawiła się materia dzisiejsza wraz z oddziaływaniami
elektrosłabymi i silnymi, które ją ukształtowały, zanim ekspansja zyskała cechy
dzisiejsze.
Tam, w materii tej, nie utworzyły się atomy,
pozostały być może układy i cząstki nam nie znane, nie mogące świecić nawet
jeśli skupiają się w twory zagęszczone, wypełniające i otaczające obiekty
widoczne. Być może właśnie fraktale ciemnej materii skupiały wokół siebie
materię, która dała początek najpierw gwiazdom (wodór, hel i lit), a potem, w
większej skali, galaktykom. Być może właśnie ciemna materia przyczyniła się do
fragmentacji materii (w pierwszym miliardzie lat po
Wybuchu), co pociągnęło za sobą utworzenie się gromad galaktyk, a także
dzielących je obszarów międzygalaktycznej „pustki”. Przykładem takiej „pustki”
jest Wielki Atraktor, do którego, o dziwo, zmierzają liczne galaktyki z
naszego obszaru. Nasza pędzi w tamtą stronę z prędkością około 600km/s). Aktualnie, choć uznaje
się istnienie ciemnej materii za niewątpliwy fakt przyrodniczy, jej cechy
strukturalne, nawet jej materialna istota, to zagadka na przyszłość...
Wskazówkę co do charakteru tej reliktowej materii dać może treść artykułu siódmego pierwszej
części. Warto też zajrzeć do eseju, w
którym opisałem powstawanie galaktyk, w części trzeciej. Tutaj jednak podążam w nieco innym kierunku, rozważając Wszechświat
bardziej całościowo.
Często mówi się też o istotnym
wkładzie masy neutrin do łącznej masy Wszechświata. Całkiem możliwe. W tym kontekście warto
zajrzeć do artykułów poświęconych neutrinom. Sądząc po ich treści, neutrinowa osnowa przestrzeni mogłaby stanowić
ewentualnie o istnieniu tak zwanej ciemnej energii, o której źródle nikt nie
wie, być może poza neutrinami (jeszcze będzie o tym mowa, choć tym tropem mimo wszystko nie pójdziemy, z innych powodów).
Uwzględniając obecność ciemnej materii o
masie pięciokrotnie większej, niż masa materii świecącej i bazując na naszym
wstępnym oszacowaniu, możemy przyjąć, że masa Wszechświata wynosi 10^53kg.
Wielkość ta w zasadzie akceptowalna jest przez znaczną część astronomów (nawet
jeśli zajmowanie się masą Wszechświata, ich
zdaniem, mija się z celem). Chodzi oczywiście o rząd wielkości, a nie o liczbę
sprecyzowaną. Czy to masa całego Wszechświata, czy też jego części widocznej?
Raczej to pierwsze.
Dla osób obeznanych z tematem
oszacowanie to trąci naiwnością. Profesjonalnie podchodzi się do sprawy inaczej.
Przede wszystkim szacuje się wartość parametru gęstości Ω, będącego stosunkiem gęstości rzeczywistej Wszechświata do gęstości
krytycznej...
Podejście to pozwala uniknąć w rozważaniach ogólnych, zajmowania się masą
Wszechświata, stanowiącą konkretną liczbę, co byłoby filozoficznie dość kłopotliwe. W przeciwieństwie do tego parametr gęstości,
jako wielkość intensywna, nie wnika w to, czy Wszechświat jest skończony, bądź
nieskończony, nie wnika w jego „zewnętrzne” parametry. [Otóż to. Pojawia się więc
niejednoznaczność, powiedziałbym „nieoznaczoność”, która wcale nie przybliża,
wręcz oddala od jednoznaczności obiektywnego bytu przyrodniczego, którym jest
Wszechświat.] To dobry patent, ale coś przez to (fenomenologiczne podejście)
jest tracone. My zajmować się będziemy zatem masą, nie koniecznie z naiwności i
nie tylko obligowani przez względy pedagogiczne. Podejście to uzasadniają
wnioski, do których dzięki temu dojdziemy. Uzasadnienie, nawet mocniejsze tego posunięcia,
podałem już we Wstępie, a także wcześniej,
przy omawianiu promieniowania reliktowego, w szczególności, zgodności wyników
pomiaru z przewidywaniami. Kontynuujmy.
...W celu znalezienia
parametru gęstości bazuje się na danych obserwacyjnych, szczególnie na ocenie zawartości
deuteru w przestrzeni kosmicznej. Na podstawie tych danych ocenia się, że wkład
materii świecącej stanowi ok. 5%. To zaskakująco mało, gdyż dane obserwacyjne
wskazują na to, że parametr gęstości ma wartość zbliżoną do („może nawet” równą) jedności (100%). Co z resztą? Resztę stanowić ma, zdaniem uczonych
(aktualne na dziś): ciemna materia (25%) i
ekwiwalent wspomnianej wyżej tak zwanej ciemnej energii, którą w
einsteinowskich równaniach pola wyrażać ma stała kosmologiczna, wprowadzona (i
odrzucona) przez Einsteina, a dziś reaktywowana (aż 70%). Bogiem a prawdą, dane
te nie bardzo pasują do naszej konkluzji dotyczącej masy Wszechświata. Należy więc ją odrzucić. Zanim jednak to zrobimy, obliczmy...
[Tu warto się na chwilkę zatrzymać. Czy energia
grawitacyjna, to wszystko (nawet odrzucając ciemną energię)? Przecież istnieje
też termodynamiczna energia wewnętrzna. Temperatura Wszechświata nie jest
zerowa (i nie będzie). Pojawiła się, jak już wiemy, podczas przemiany fazowej w
początkach BB, w wyniku dyssypacji części energii kinetycznej ekspansji urelowskiej. Wielkość
tej energii nie ulega zmianie pomimo jej wzrastającego rozrzedzenia w miarę
postępu ekspansji. Przy bilansowaniu łącznej energii, równoważnej przecież masie, należy ten faktor wziąć pod uwagę. Może to być znacząca część masy Wszechświata. Ta energia cieplna daje o
sobie znać choćby świeceniem całej materii (we wszystkich zakresach widma), no
i promieniowaniem reliktowym. Może
właśnie dlatego naszym wstępnym oszacowaniem masy obiektów świecących, trafiliśmy
nieoczekiwanie w sedno, może dlatego właśnie oszacowana przez nas masa
Wszechświata, jak zobaczymy dalej, stanowi klucz do czegoś całkiem nowego i
wielce obiecującego. Tu warto
przypomnieć sobie także Apendyks do artykułu piątego, na temat energii zawartej w polu grawitacyjnym.]
2. ...Promień (Schwarzschilda) Wszechświata.
Dla przypomnienia (i w uproszczeniu), chodzi o
promień czarnej dziury, innymi słowami, promień horyzontu grawitacyjnego
odpowiadającego określonej masie, zawartej w nim całkowicie. Wyraża się on
wzorem: (1)
Do wzoru tego dochodzimy
z łatwością na bazie szkolnego kursu mechaniki (newtonowskie prawo powszechnego
ciążenia) i nie jest do tego potrzebna ogólna teoria względności (na niej
bazując Schwarzschild wyprowadził ten wzór podchodząc do sprawy z dużo głębszych przesłanek). Po prostu wychodzimy
ze wzoru na prędkość ucieczki (jak druga prędkość kosmiczna 11,2 km/s) i
zakładamy, że prędkość ucieczki równa jest c.
Jeśli podstawimy do tego wzoru oszacowaną
przez nas wartość masy Wszechświata, otrzymamy następującą wartość promienia
jego horyzontu grawitacyjnego: R = 15,6 miliardów lat świetlnych. Widzimy, że
jest to liczba zbliżona wartością do promienia Wszechświata, wyliczonego przez
nas na podstawie prawa Hubble’a (piętnastu miliardów lat świetlnych, przy
założeniu, że stała H = 20). Prawie dokładnie to samo. Zauważmy jednak, że
ewentualna równość promieni: R(graw.) = R(H) wcale nie jest taka oczywista.
Stałą H (na tej podstawie promień hubblowski Wszechświata) wyznacza się
z bezpośredniego pomiaru odległości i prędkości względnej określonych obiektów,
natomiast masę Wszechświata (a stąd promień horyzontu grawitacyjnego)
oszacowaliśmy na podstawie ekstrapolacji zliczeń obiektów widocznych,
uwzględniając dodatkowo (szacowaną) poprawkę na masę materii nie
promieniującej.
A może jednak to tylko przypadkowa
zbieżność? Nie! To bardzo mało prawdopodobne, zważywszy na wielkość samej
liczby (koicydencja tak dużych liczb jest prawie nieprawdopodobna).
Twierdzenie, że ta koincydencja istniała zawsze i jest swoistą cechą
Wszechświata, nie jest więc pozbawione racjonalnego sensu. Wszak raczej nie
żyjemy w jakimś wyjątkowym czasie. Trudno byłoby się z czymś takim pogodzić,
chyba, że odwołamy się do wyjątkowej złośliwości Stwórcy. Zabił nam ćwieka?
Nie, o to Go, ja osobiście (sądzę, że tym „ja” jest każdy z nas) nie podejrzewam.
Antropomorfizacja Absolutu? Nie! To byłby szczyt pychy, szczyt samozakłamania.
Bardziej rozsądne jest przyjęcie
(skromniejszej) tezy, że ten zakątek czasoprzestrzeni, w którym znajdujemy się,
z punktu widzenia Przyrody, nie jest wyjątkowy. Już Giordano Bruno głosił
rzecz (do roku 1600). Nie, nie mam zamiaru być jego inkarnacją.
Przyjęliśmy bowiem za słuszną, zasadę kosmologiczną. Przyjmijmy więc, że to nie przypadek,
że coś w tym jest; być może to nawet indykacja jakiejś głębokiej, zasadniczej
prawdy przyrodniczej.
Uznajmy więc te promienie za (nawet)
tożsamościowo równe, gdyż różnica, bardzo niewielka zresztą, między wynikami
naszych obliczeń (wartość długości promieni) wynika stąd, że masę Wszechświata
oszacowaliśmy z grubsza, natomiast wielkość H przyjęliśmy w sposób
arbitralny nie znając jej dokładnej wartości, choć bazowaliśmy na dziś
przyjętych oszacowaniach. Sformułujmy więc nasz wniosek w sposób bardziej
ceremonialny: Horyzont grawitacyjny Wszechświata pokrywa się z horyzontem
hubblowskim. Równość ta, a nawet tożsamość ma charakter uniwersalny. Innymi
słowy horyzont grawitacyjny bytu o masie Wszechświata pokrywa się ze „sferą”,
której odległość od obserwatora (nie ważne, gdzie się on znajduje) odpowiada
niezmienniczej prędkości ekspansji (c), będącej przecież kresem górnym
względnych prędkości obiektów (galaktyk), tak, jak wskazuje na to Prawo
Hubble’a. Odległość tę nazwiemy promieniem Wszechświata. Zobaczymy, do czego to nas doprowadzi.
A co z horyzontem łącznościowym?
Ten chyba zejdzie ze sceny, choć dziś właśnie on gra główną rolę. Można go
zdefiniować następująco: To największa odległość, z jakiej mogą do nas dotrzeć dziś fotony
informując nas łaskawie o obecności gdzieś tam, czegoś tam. Definicja ta jest
jak najbardziej słuszna jeśli Wszechświat jest nieskończony (w dodatku
statyczny) i oczywiście nigdy Mu się nie wybuchło.
Zauważmy,
że tuż powyżej zapostulowana równość, przy głębszym zastanowieniu nie powinna
być jakąś szczególną nowością, nie powinna nawet zaskakiwać. Jest wprost rzeczą
naturalną. Przecież prędkość ucieczki z czarnej dziury równa jest c, tyle samo,
co kres górny prędkości względnej obiektów mających znaczenie kosmologiczne
(prawo Hubble’a). I nie
ważne gdzie znajduje się obserwator... Jak widać równość ta spójna jest nawet z zasadą
kosmologiczną. Zatem
powyższym postulatem, wbrew początkowym wahaniom, nie podjąłem zbyt wielkiego
ryzyka. To tylko mały
kapiszon obok beczki prochu na której siedzę. Swoją drogą jak to się stało, że nie zauważono tego wcześniej? [Może zauważono, ale rzecz nie mieściła się w systemie. Potrzebny był chłopczyk w tłumie podziwającym wspaniałe
szaty króla.]
Winne
zakrzywienie przestrzeni i to, że także w związku z tym, rozważanie masy
Wszechświata, jako takiej, „nie ma sensu”. Człowiek, to istota na wpół ślepa.
Widzi przede wszystkim
to, co chce widzieć. Ja też nie od razu tę rzecz dostrzegłem (jako człowiek). Swoją drogą, było mi łatwiej, gdyż jakoś patrzę na sprawy nieco inaczej. Po prostu, coś zostało
we mnie z belfra. Ale wtedy, gdy nim byłem, nie
było ze mną łatwo.
I tu pojawia się wątpliwość dotycząca
naszego oszacowania masy Wszechświata. Przecież liczba gwiazd świecących i galaktyk, w różnych epokach
była i będzie inna. Oszacowanie nasze trąci więc naiwnością. Chcemy przecież
poznać cechy Wszechświata niezmiennicze, uniwersalne i niezależne od tego, kiedy je badamy
(pomijając okoliczności szczególne, na przykład same początki ekspansji). Nasz
czas przecież nie jest wyjątkowy. Jak pogodzić to z fantastyczną zbieżnością
choćby wielkości promieni hubblowskiego z grawitacyjnym, wyznaczonym na
podstawie zliczenia gwiazd i galaktyk, zbieżnościa, która, sądzić można, ma charakter
uniwersalny? Tu warto powrócić do refleksji kończącej rozdział poprzedni tego artykułu, a dotyczacej termodynamicznego składnika łącznej
energii. Sądzę,
przynajmniej w tej chwili, że pierwotną, jako niezmienną, jest właśnie równość
promieni, stanowiąca bazę dla wyznaczenia
(ścisłego) masy Wszechświata.
Przypadek? Jeśli już, to nie odosobniony. Przyroda pomaga odważnym. Pomogła
na przykład Hubble'owi, który ogłosił swoje prawo bazując na znikomej liczbie
danych – kilkunastu galaktyk. To był na prawdę wynik nie wystarczający na to,
by spostrzeżenie ogłosić jako prawo. Oczywiście przykład nie jest żadnym
dowodem. Co pewne, to w każdym przypadku, „dkrywcze spostrzeżenie” weryfikwane
zostaje przez życie. Jak się niebawem okaże, równość promieni prowadzi do
wyników konsystentnych ze znanymi ustaleniami (nie moimi).
Jak się za chwilkę
przekonamy, równość promieni Wszechświata: grawitacyjnego i hubblowskiego,
zapostulowana przed chwilą, implikuje inne podejście do zagadnienia masy
Wszechświata. Masa materii świecącej, w związku z niemożnością jej pełnego
oszacowania, jest właściwie pojęciem pomocniczym. Warto jednak zaznaczyć, że
właśnie jej wstępne oszacowanie doprowadziło do spostrzeżenia, które nawet
zyskało rangę postulatu. Poniżej wyrazimy masę Wszechświata jako wielkość
wynikającą wprost z zapostulowanej równości, nie paprając się w niepewnych pomiarach bazujących na
obserwacji, między innymi pomni przemyśleń powyżej. To dobrze, gdy dane
uzyskane z badań dotyczacych układów lokalnych, pozwalają na wnioskowanie
dotyczące cech globalnych, pozwalają na weryfikowalne
uogólnienia.
Możemy więc połączyć wzór: v = Hr ...→ c = HR, wyrażający prawo Hubble’a ze wzorem (1) na promień grawityjny.
Otrzymujemy:
Konkretne obliczenia,
jakie przeprowadzimy opierając się na tym, pozwolą nam roztrzygnąć, czy
rzeczywiście w tym coś jest, czy też to tylko przypadek. Oto co
otrzymujemy:
Tak zdefiniowana masa
Wszechświata nie ma nic wspólnego ze zliczeniami galaktyk, czy też z
zawartością deuteru. W tym momencie nie wnikamy też w to, co składa się na tę
masę. Nazwijmy więc ją Umowną Masą
Wszechświata (UMW) lub z angielska: Contractual Mass of Universe (CMU). Od
tego momentu, mówiąc o masie Wszechświata, mam na myśli właśnie tę Umowną. Dodatkowo zwróćmy uwagę na to, że mowa o masie
grawitacyjnej, która z upływem czasu, sądząc po wzorze (2)... Ale nie
uprzedzajmy faktów.
Przeprowadzimy teraz obliczenie, dające
odpowiedź na pytanie: „Jakiej masie odpowiadają rozmiary Wszechświata,
wyliczone z przyjętej przez nas wartości współczynnika H (20)?” Stosując wzór
(2) otrzymujemy: M =
0,957·10^53kg. Obliczcie to sami (nie zapominając o jednostkach). Przypominam, że
wartość współczynnika H szacowana jest na podstawie danych obserwacyjnych.
Otrzymane przez nas wyniki bardzo dobrze pasują do masy Wszechświata
oszacowanej przez nas na początku. Gdybyśmy przyjęli wartość stałej H za 17,5
(środek przedziału wartości współczynnika H, uznanych za możliwe), otrzymalibyśmy:
1,085·10^53kg. Jak widać, dokładna wartość współczynnika H, jak na razie, nie
jest sprawą krytyczną, nie ma znaczenia wobec sedna sprawy. Jaki wniosek z tego
wszystkiego? Otóż ten, że znajdujemy się wewnątrz czarnej dziury! Żyjemy, nawet odkrywamy to! (I nic nas nie rozrywa na strzępy jak w
niedobrej czarnej dziurze z osobliwością. Właściwie mogliśmy to dawno
przewidzieć. Zatem reasumując możemy stwierdzić rzecz następującą. Wszechświat rozszerza
się (to już wiadomo z obserwacji), a rozmiary jego wyznacza promień
Schwrzschilda (zależny od masy); zrozumiałe, że
jeśli dziś, to w każdym czasie, bo nasz czas wcale nie jest wyjątkowy. Co
stąd wynika? Wynika, że...
3. ...Masa Wszechświata sukcesywnie wzrasta¹.
Wszak wielkość masy bezpośrednio
określa wielkość promienia horyzontu grawitacyjnego, a ten wzrasta razem ze wzrostem promienia hubblowskiego. Masa Wszechświata wzrasta? Czy to możliwe? Czy w
oparciu o wiedzę współczesną można tę rzecz wyjaśnić? Czy rzecz jest do
strawienia? Jaki jest więc mechanizm wzrostu masy? Oto jest pytanie. Spróbujmy
na nie odpowiedzieć. Od razu nasuwa się teoria stanu stacjonarnego (Steady State
theory), której twórcami byli: H. Bondi, T. Gold i F. Hoyle (1948), dość
popularna w latach pięćdziesiątych i na początku lat sześćdziesiątych ub. wieku.
Zakładała ona między innymi ciągłą kreację materii z niczego, mającą zapewnić
stacjonarność cech Wszechświata pomimo jego rozszerzania się. To „z niczego” w
końcu pogrzebało tę teorię, choć wcale nie było to aż takie absurdalne,
zważywszy na to, że chodziło o roboczą próbę uratowania stabilności cech
Wszechświata, bo „to przecież Wszechświat”; zważywszy też na dzisiejszą mnogość
pomysłów nie mniej interesujących i przyjmowanych z głębokim, jeśli
nie nabożnym „zrozumieniem”, jakby kamień filozoficzny był tuż
tuż. Och, choć na chwilkę być Harry Potterem... Tak nawiasem mówiąc, nie
wszystko, co istnieje, musi być widoczne.
Jaki jest więc mechanizm, wzrostu masy?
Odpowiedzi należy szukać z całą pewnością gdzieś indziej. Rozważmy następującą
możliwość. Wszechświat rozszerza się, co oznacza poszerzanie się horyzontu.
Tak, jak byśmy patrzyli ze startującej rakiety lub choćby ze wznoszącego się
samolotu, widząc coraz rozleglejszy krajobraz, dostrzegając wciąż nowe
szczegóły, coraz odleglejsze od punktu startu. Analogia ta sugeruje, że mowa tu
o horyzoncie łącznościowym****.
Jeśli patrzymy na kulę
z coraz większej odległości, rzeczywiście ogarniamy coraz większy obszar.
Jednak całej kuli nie zobaczymy. Z odległości nieskończenie wielkiej
dostrzeżemy co najwyżej obszar półkuli. A co jest dalej? Antyświat?... Dla
przypomnienia, my znajdujemy się wewnątrz Wszechświata. Czy zatem to, co
widzimy jest wszystkością?
Horyzont
określony przez inwariant c, to coś innego. Tworzy on bowiem absolutną
granicę między bytem, a niebytem. [Tak
na marginesie, nie wyklucza to możliwości istnienia cząstek o prędkości
nadświetlnej – o tym w innym miejscu] Jeśli jednak jest to horyzont
łącznościowy, coś za nim z całą pewnością istnieje. Rozszerzając się ogarnia on
przestrzenie dotąd dla nas zakryte. Dzięki temu przyłączają się do nas obiekty,
które jak dotąd „nie istniały” dla nas. Czy obiekty te, przyłączając się,
powiększają sukcesywnie masę Wszechświata? Co by wynikało z tego przyłączania
się? Powinniśmy odkrywać pojawiające się nagle obiekty, podobnie jak gwiazdy
Nowe lub Supernowe, z tym, że na samym horyzoncie. Czy rozpoznalibyśmy to po
bardzo wielkim przesunięciu ku czerwieni? Nieskończenie wielkim? Nie
koniecznie. To przecież nie horyzont hubblowski, lecz łącznościowy. Wyłaniają
się więc te, od których światło już do nas właśnie dociera. Gdzie się
wyłaniają? Znamy przecież obiekty bardzo odległe, które od dawna widzimy.
Troszkę dalej niż kwazary? Ale nie dalej niż horyzont. Zaraz, zaraz. Obiekty
które mamy wreszcie zobaczyć, istniały jednak wcześniej, choć ich nie
widzieliśmy, gdyż fotony od tych obiektów „były jeszcze w drodze”. Obiekty te
istniały przynajmniej od momentu wysłania tych fotonów. Ich masa już wtedy
stanowiła więc składnik masy Wszechświata, na długo, zanim zostały dostrzeżone.
Nie chodzi więc nam o to, czy dostrzegamy jakąś materię ekstra, czy też nie,
lecz o to, czy już istnieje jako integralny element Wszechświata. Obiekty
ewentualnie zauważone dopiero co (fotonami), nie mają nic wspólnego z tym,
czego szukamy. Czy chodziłoby więc o masę jakby powoływaną do istnienia?
Znów kłania się, odrzucona przecież z kretesem, teoria stanu stacjonarnego.
Powód do wątpliwości dla takiego stawiania sprawy daje także nasze
ustalenie, że horyzont grawitacyjny pokrywa się z horyzontem hubblowskim, skąd
wynika, że masa Wszechświata rośnie. Dla przypomnienia, „widoczny” przez nas
horyzont jest horyzontem hubblowskim, będącym miejscem geometrycznym punktów
posiadających niezmienniczą prędkość c. Wszystkie obiekty konkretne,
galaktyki, nawet te najdalsze, oczywiście znajdują się bliżej, oddalają się z
prędkościami mniejszymi i są widoczne dziś, choćby potencjalnie: należy
zaczekać tylko na lepsze teleskopy i pamiętać, że nie od razu po Wybuchu
istniały gwiazdy*****. Wszystkie przy tym obiekty wykrywamy (jako bardzo
odległe) dzięki dużej stosunkowo wartości przesunięcia ku czerwieni. One jednak
już istnieją. Nie można faktu istnienia warunkować obserwowalnością (!),
wbrew jednemu z paradygmatów akceptowanych dziś przez wielu fizyków. W
kontekście tym kurczowe trzymanie się koncepcji łącznościowej raczej mija się z
celem, w każdym razie nie wyjaśnia wzrostu masy Wszechświata.
Jaki jest więc mechanizm wzrostu tej masy?
Zakładamy, że wszystko to ma sens, gdyż jak na razie (chyba) jakichś
sprzeczności logicznych nie było, pomimo uporczywości nawyków myślowych.
4. Mechanizm wzrostu masy Wszechświata
„Masa Wszechświata wzrasta” – to zasadnicza konkluzja
poprzedniego rozdziału. Wcześniej
stwierdziliśmy, że zawartość materialna Wszechświata jest ograniczona (a nie
nieskończona), nawet substancjalnie niezmienna. Przesłankę na to stwierdzenie
stanowi przyjęte za fakt zajście Wielkiego Wybuchu. Kiedyś więc ta „zabawa”
powinna się skończyć (bo materii niezbędzie). Dojdziemy do granicy wzrostu masy. Co wtedy? W tym kontekście
logiczną wydaje się hipoteza, że Wszechświat zacznie się kurczyć. Trudno bowiem
liczyć na to, że ekspansja nagle zatrzyma się. „Tak nagle? Co będzie dalej?”
Zatem mamy Wszechświat oscylujący. Zauważcie, że do konkluzji tej doszliśmy ponownie, i to wychodząc z innych przesłanek,
niż w artykule pierwszym, o zasadzie kosmologicznej. Wówczas tę
właśnie opcję rozwoju Wszechświata uznałem za priorytetową. To nas (powiedzmy, że mnie) utwierdza w tym
przekonaniu. Hipoteza o takim właśnie Wszechświecie wprost narzuca się. Mamy więc
jeszcze jeden argument na potwierdzenie tezy o periodyczności cech
przestrzennych (może też fizycznych) Wszechświata. Argumentacja na rzecz tej
tezy pogłębia się więc. Wynikać więc
by mogło stąd, że w półokresie zapadania się, masa Wszechświata powinna maleć. No dobrze,
ale...
Jak dotąd oszacowaliśmy masę Wszechświata
traktując ją jako wielkość określającą zawartość materialną (powiedzmy:
substancjalną). [Tu nie bierzemy pod uwagę
niezmiennego składnika termodynamicznego, o którym wspomniałem pod koniec
rozdziału pierwszego.] A tu niespodzianka. Masa wzrasta, choć wcale nie uważam,
że wzrasta liczba nukleonów, elektronów i innych cząstek. Skąd się może brać ta
dodatkowa masa? [„W gruncie rzeczy chodzi o Umowną Masę Wszechświata” – to
jednak nie uspakaja.] Zgodnie z ustaleniem wcześniejszym Wszechświat jest
wszystkim, jest tworem zamkniętym, więc nic zzewnątrz nie przybywa. Także
odrzucamy możliwość tworzenia się materii z niczego. A
może ta dodatkowa masa jest po prostu równoważna energii? Jakiej? Jaka energia
wzrasta wraz ze wzrastaniem rozmiarów, jaka energia jest funkcją wzajemnej
odległości? Wiadomo, energia potencjalna. Czy zatem ta dodatkowa masa bierze się ze wzrastającej energii potencjalnej oddziaływania grawitacyjnego wszystkich bez wyjątku obiektów –
od najmniejszego do największego? Bo skąd? Energia ta powinna więc sukcesywnie
wzrastać w związku ze wzrostem wzajemnej odległości ciał. I tak było zawsze? Nawet wtedy, gdy nie było naszych nukleonów i
elektronów? A co było? W tym kontekście warto przypomnieć sobie o grawitacji
dualnej, o Ureli, przemianie fazowej kończącej ją. Sądzę, że ten właśnie kierunek należy obrać, by
roztrzygnąć kwestię mechanizmu wzrostu masy Wszechświata.
Masa Wszechświata, zresztą tak,
jak masa każdego obiektu, jest masą grawitacyjną (w myśl definicji podanej w artykule piątym). Masa ta wzrasta wraz ze wzrostem
odległości między elementami układu, wzrostem energii potencjalnej
oddziaływania grawitacyjnego między nimi. Maleje wówczas niedobór masy.
Podobnie Wszechświat. Wszak jego zawartość materialna nie ulega zmianie. Teorię
stanu stacjonarnego w tym kontekście można ze spokojem odrzucić. Zatem wzrost
masy Wszechświata jest powiązany bezpośrednio, zsynchronizowany ze wzrostem
jego grawitacyjnej energii potencjalnej... Łatwo powiedzieć...
Brzmi to trochę obco dla obcujących na
codzień z ogólną teorią względności. Energia potencjalna nie jest rozważana
przez OTW. Zgodnie z koncepcją preferowaną w tej pracy, przestrzeń w
skali bytów materialnych raczej nie jest bytem autonomicznym, „pierwotnością”,
podkładem dla geometrii sprawiającej, że nieruch jest „ruchem”.
Przeciwnie. Tworzy ją ruch względny materii. Stąd też najprawdopodobniej
jej immanentna (tak, tak...) płaskość. Model „balonika”
nie jest więc tu adekwatny, a problem płaskości wprost nie istnieje. Dzięki
temu energia potencjalna tutaj ma konkretny sens, wbrew dzisiejszemu stawianiu
spraw. [Tak nawiasem mówiąc, nie jest to wcale sprzeczne z
możliwością istnienia czwartego wymiaru przestrzennego, „odpowiedzialnego"
za specyficzną topologię Wszechświata, wymiaru (właściwie dodatkowego
parametru), stanowiącego o periodyczności jego cech tak przestrzennych, jak i
fizycznych.] Jak wiadomo, to dzisiejsze stawianie spraw prowadzi do
dwóch, klasycznych już, problemów kosmologicznych: wspomnianej powyżej
płaskości i horyzontu (także ten problem niebawem odproblemuje się). Świadczy
to o nieadekwatności dzisiejszego ogólnego podejścia z immanentnymi cechami
Wszechświata. Jak się nie ma co się lubi, to się lubi, co się ma. Ratunkiem dla
koncepcji einsteinowsko-friedmannowskiej, wmiatającym pod dywan owe problemy
kosmologiczne, była hipoteza inflacji Alana Gutha, która jednak wprost razi swą
sztucznością i typowo ludzkim kombinatorstwem. Z jednej strony mamy kwantową
teorię pola, stroniącą od grawitacji nie dającej się zrenormalizować, z drugiej
zaś teorię grawitacji (OTW). To tylko modus vivendi, Stwórca nie jest
partaczem. A dla ludzi... to wspaniała przygoda w poszukiwaniu Prawdy.
Dodać do tego należy jeszcze jedną
rzecz. Otóż zgodnie z równaniem Friedmanna możliwa jest opcja ekspansji
nieskończonej, w przypadku rozwoju Wszechświata zgodnie z modelami krytycznym i
otwartym. W tej sytuacji rozważanie energii potencjalnej stworzyłoby dodatkowy
kłopot natury filozoficznej. Zmierzając ku obiektywnej prawdzie należy bowiem
unikać nieskończoności (a także osobliwości).
W pracy tej, jak widać, celowo nie bazuję
na ogólnej teorii względności (rozumiem doskonale niewybaczalność tego kroku).
By być OK musiałbym nic nie robić, dumny (bez jakiejkolwiek zadumy) z
osiągnięć nauki. Dumny jestem z tych osiągnięć,
ale to nie wystarcza. Podjąłem więc (w
swej arogancji) próbę testowania spraw za pomocą środków klasycznych, choć, co ważne, z uwzględnieniem
efektów relatywistycznych.
Wbrew pozorom nie odrzucam OTW. Uważam jednak, że teoria ta jest na razie
niedokończona: wobec układów astronomicznie makroskopowych działa bez zarzutu,
natomiast do opisu Wszechświata jako całości jest nierelewantna. To dla niej za
duże buty. [Tak przy okazji ponownie przestrzegam przed
ontologizacją procedur obliczeniowych, a w tym pojęć o charakterze matematycznym.]
Sądzę, że powinna na przykład uwzględniać
istnienie niedoboru masy. To może być przyczyną niedopasowania równań
Friedmanna do kosmologicznej rzeczywistości, przyczyną tego, że w odniesieniu
do Wszechświata OTW
nie spełniła pokładanych w niej nadziei. Tak, nie
spełniła, choć jak na razie nikogo, z tych,
którzy ją stosują w kosmologii, nie stać na odwagę, by tę rzecz stwierdzić
otwarcie. Stwierdzić? Uświadomić
sobie. Na ogół kałapućkają się oni w matematycznym modelowaniu, dumni z
doskonałości swego warsztatu. Oto jedna z przyczyn tego, że
postanowiłem zabrać głos i podejść do sprawy w sposób
niekonwencjonalny.
A w mikroświecie? Po prostu grawitacja nie
jest brana pod uwagę, rzekomo z powodu swej słabości. W tej skali scedowano
wszystko na kwantową teorię pola, która nie rozważa grawitacji. Dlaczego nie
można jej zrenormalizować w obliczeniach?... Z całą pewnością
nie dlatego, gdyż jest zbyt słaba w skali cząstek. Słabość, wbrew niektórym, nie oznacza nieistnienia. To, że nie
można jej zrenormalizować w obliczeniach stanowi motywację dosyć ważką dla
traktowania grawitacji jako nie tyle oddziaływanie, co stan (taki, czy inny)
zakrzywienia czasoprzestrzeni. Ale to
łatwizna.
A jeszcze głębiej, w skali struktury
cząstek, grawitacja jest wyjątkowo silna, a nawet stanowi bazę dla wszystkich
oddziaływań (Sądząc po moich popełnieniach. Patrz cztery ostatnie artykuły pierwszej części.). Już to
stanowi wystarczający pretekst, by rozważyć opcję jej dualności, a właściwie
powód dla jej uwzględnienia.
Przywróciłem więc do łask energię
potencjalną. Pojęcie energii potencjalnej układu dwóch ciał znane jest
powszechnie, a jego definicja jest ścisła i jednoznaczna. Jednakże gdy mowa o
energii potencjalnej Wszechświata mówienie o jakichś ciałach nie ma sensu.
Zresztą mija się też z celem poszukiwanie konkretnej wartości łącznej masy
wszystkich obiektów Wszechświata. Z tego powodu w rozdziale
trzecim wprowadziłem pojęcie Umownej Masy Wszechświata (UMW). Podobnie
rzecz się ma z energią potencjalną. Do wyrażenia jej użyć trzeba będzie więc
właśnie UMW. Dodatkowo, w układzie (na przykład) dwóch ciał energia ta zależy
od odległości, jest funkcją ich wzajemnego położenia. Co do Wszechświata,
jedynym uniwersalnym parametrem przestrzennym jest wielkość promienia grawitacyjno-hubblowskiego.
Tak więc należałoby w kontekście naszych rozważań przedstawić (jeszcze nie
zdefiniować ilościowo) Energię Potencjalną Wszechświata, traktując ją
jako globalny parametr, którego wartość jest funkcją uniwersalnego czasu
Wszechświata.
Bazą ideologiczną dla takiego właśnie pojmowania spraw jest głębokie
przekonanie (między innymi moje), że Wszechświat miał swój początek (choćby w
sensie rozpoczęcia nowego cyklu), że był to początek wspólny dla wszystkich
elementów jego struktury, że wszystkie obiekty łączy wspólna historia. Z tym ostatnim zgadzają się chyba wszyscy. Przy tym,
Wszechświat jest integralną całością. W związku z jego rozszerzaniem się i
nieprzerwanym wzrostem globalnej energii potencjalnej, wzrasta także globalna
masa (maleje jej niedobór). Można to zapisać następująco:
zgodnie ze słynnym wzorem
Einsteina (E = mc^2). Tym razem wzrost masy pozostaje w bezpośrednim związku ze
wzrostem rozmiarów, bo przecież przyrost energii potencjalnej jest ogólnie
uwarunkowany zmianą położenia (klasyczny przykład szkolny stanowi podrzucanie
ciał do góry). Być może wpadliśmy na właściwy trop. Warto w tym kontekście
zwrócić uwagę na to, że ten sukcesywny wzrost masy Wszechświata zachowuje
jego stan, czyli zapewnia (stwierdzoną obserwacyjnie) „krytyczność”
rozwoju niejako w naturze rzeczy, czyniąc parametr gęstości Ω = 1 jakby stałą uniwersalną
(albo rzeczą, która stała się zbędną). Warto
zapamiętać to zdanie, nawet jako bazę dla przemyśleń w kontynuacji lektury.
To roztacza przed nami nowe horyzonty dla dalszych rozważań (nie wyłączając z
tego horyzontu zdarzeń), choć oczywiście nie uwalnia nas od „problemów
wzrostu”, przeciwnie. Z pomysłem rosnącej masy Wszechświata, w dodatku rosnącej
w sposób przedstawiony tu, nie zetknąłem się w źródłach pisanych, stanowiących
bazę standardową dla powszechnej świadomości poznawczej.
„Kosmologia naiwna”? Energia potencjalna,
niedobór masy grawitacyjnej? Co jeszcze? Współczesna kosmologia wprost nie
koncentruje swych wysiłków na masie (a tym bardziej na energii), z wiadomych
już powodów. Czyżbym się aż tak strasznie mylił? A jednak wnioski wynikające z
przyjęcia tej koncepcji prowadzą dość daleko, do niekonwencjonalnego, acz
spójnego, modelu Wszechświata wraz z jego początkiem (!), modelu generującego
antycypacje zbieżne z wynikami obserwacji. A to przecież najważniejsze.
Zauważymy to dalej. W tym kontekście modele zbudowane na równaniach Einsteina-Friedmanna
zyskują być może inny sens praktyczny (na przykład edukacyjny). Czy pomysł (ze
wzrostem masy, zsynchronizowanym ze wzrostem globalnej energii potencjalnej) ma
naprawdę szansę być słusznym? Czy szansę tę zaprzepaści jego odrzucenie na
bazie nawyków myślowych obowiązujących dziś? W każdym razie (i na razie) spójny
jest ten pomysł z przedstawionym tutaj (to znaczy w moich pracach) dość specyficznym
traktowaniem grawitacji.
Reasumując stwiedzić możemy, że
masa grawitacyjna Wszechświata (zgodnie z zasygnalizowaną tu koncepcją)
stopniowo wzrasta wzrostem jego globalnej energii potencjalnej. Maleje tym
deficyt masy Wszechświata. Zgodnie z dzisiejszym sądem, jego ekspansja
naturalnie stopniowo ulega spowolnieniu, a po niedawnych odkryciach, że coś ją
przyśpiesza. [Chodzi jednak nie tyle o zmianę prędkości względnych, co o zmianę
krzywizny przestrzeni w powiązaniu ze wzrostem czynnika skali.] W tym sensie
maleje (lub wzrasta) tempo ekspansji. Nie uwzględniając ciemnej energii
porównuje się to ze zwalnianiem podrzuconego do góry ciała, pomimo, że w
przykładzie tym mamy do czynienia z ruchem jako takim. Wobec Wszechświata przestrzeń,
a wobec ciał faktyczny ruch... Upoglądowienie niezbyt trafione. Ruch, czy też zmiana zakrzywienia czasoprzestrzeni? Jak widać, w tradycyjnym
podejściu (i w przykładzie z podrzuconym ciałem) mamy równocześnie dwa diametralnie różne podejścia (ruch faktyczny +
zakrzywiona czasoprzestrzeń ze zmianami
czynnika skali, w odniesieniu do Wszechświata jako calości)). Niekonsekwencja? Ale to tylko tak dla upoglądowienia.
5.Refleksje i
przemyślenia w kontekście szacowania masy Wszechświata, czyli:
pospekulujmy.
Trzeba przyznać, że rozważania dotyczące masy
Wszechświata mają jakikolwiek sens pod warunkiem przyjęcia tezy, że Wielki Wybuch
faktycznie miał miejsce. Jeśli bowiem coś wybucha, to nie może mieć
nieskończenie wielkiej masy, a sam Wszechświat po prostu oscyluje. [Już filozoficznie sam Wybuch ni stąd ni zowąd wraz z
niekończącą się ekspansją stanowi problem poważny, którego bagatelizować nie
można. Dla stroniących od filozofii kosmologów – problemu nie ma.]
Zwróciłem już na to uwagę wcześniej. Masa
Wszechświata (nie ważne jak jest definiowana) jest więc ograniczona, jest
konkretną liczbą, nie ważne jak wielką. Jest więc sens zajęcia się też masą,
pomimo jej ekstensywności. W szczególności nader interesujące byłoby pytanie:
„Jaka będzie maksymalna masa Wszechświata w momencie inwersji między ekspansją,
a kontrakcją?” Moje robocze oszacowania (aktualne na dziś) dają wielkość rzędu:
10^63kg (w odniesieniu do dzisiejszych wartości
jednostek).
I tu pojawia
się problem. Każda konkretna liczba rzeczywista, poza zerem, jest elementem
nieskończonego zbioru liczb sobie równoważnych w kontekście tym, że mają wyrażać cechy określonego bytu przyrodniczego.
Równoważnych sobie. „Dlaczego więc masa maksymalna Wszechświata jest taka, a nie inna?” [Że nie jest nieskończona, wynika z zapostulowanej
cykliczności, istnienia oscylacji (i
oczywiście z faktu zajścia Wielkiego Wybuchu).] Pytanie jak najbardziej naturalne,
zważywszy na to, że oczekujemy po Wszechświecie, iż posiada cechy swoistego,
nie zgłębionego przez nas ideału, a zbudowany jest zgodnie z prawami przyrody
jednoznacznymi i obiektywnymi. Ta globalna ilość powinna mieć zresztą wpływ na
mierzalne cechy ogólne wszechświata, a wraz z tym uzasadniona powinna być przez wartości stałych
uniwersalnych. W szczególności, powinien istnieć jakiś związek wielkości i
zmienności masy globalnej z wartością stałej G. Choć to spekulacja, warto i o
tym pomyśleć.
A tak popuściwszy (jeszcze bardziej) wodze fantazji można
pomyśleć, że albo istnieje liczba różna od zera,
liczba bardzo wielka, a przy tym jak zero jedyna, albo też istnieje
nieskończenie wiele wszechświatów tworzących ciągłe widmo mas. Jeśli w to
włączymy konieczność istnienia określonej struktury i złożoności takiego tworu,
a więc także istnienie ograniczeń co do jego minimalnej wielkości, sprawa się
komplikuje jeszcze bardziej. Chyba więc lepiej znaleźć tę jedyną liczbę, być
może stanowiącą kres liczenia uzasadnionego potrzebą.
Albo, po prostu, ta maksymalna masa w momencie inwersji, jest właśnie tą
wyjątkową liczbą. Przecież takich wyjątkowych liczb jest więcej – choćby stałe
uniwersalne. Ta maksymalna masa byłaby jedną z nich. Na jej wyznaczenie trzeba
by było trochę zaczekać. Temu, kto ją wyznaczy
przyrzekam prawo do nazwania jej swym nazwiskiem.
Najpierw należałoby chyba jednak znaleźć
okres oscylacji. I tym się zajmiemy w dalszych
artykułach, co nie znaczy, że znajdziemy, ale jakiś trop będzie.
Na razie zauważmy, nie po raz pierwszy, że prędkość
ekspansji równa jest c. Zauważmy, że to także prędkość światła, prędkość fotonów. Fizycznie
chodzi o jakości zupełnie inne. A jednak
prędkości te są sobie równe. Zgodnie z zasadą kosmologiczną, prędkość
ekspansji jest jednakowa dla każdego obserwatora, czyli nie zależy od układu
odniesienia. Jest także kresem górnym prędkości względnych ciał
masywnych. A prędkość światła (fal elektromagnetycznej)?
Przyjęta została (postulatywnie) jako prędkość niezmiennicza. Na bazie tej
niezmienniczości stworzona została szczególna teoria względności, przewidująca
między innymi istnienie kresu górnego prędkości obiektów materialnych, między innymi
odległych galaktyk. I tu się spotykamy. Ale to jeszcze nie koniec. Co ma
wspólnego prędkość fali elektromagnetycznej z prędkością ekspansji? To na pewno nie
przypadek. Bardzo możliwe, że oddzialywania
elektromagnetyczne pojawiły się właśnie w momencie, gdy
ustalila się prędkość ekspansji wartością c. [Jeśli tak, to mamy jeszcze
jeden argument uzasadniajacy tezę, że Wielki Wybuch miał rzeczywiście miejsce
(pomijając inne ważkie argumenty).] Wcześniej, jak już wiemy była Urela kończąca
się przemianą fazową. Prędkość c jest więc reliktem początków ekspansji
hubblowskiej, a
także momentu, w którym pojawiły się oddziaływania elektromagnetyczne.
Mamy więc wyjaśnienie sensu tak bulwersującej przecież niezmienniczości
prędkości światła. Sto lat temu była postulatem, a dziś, za sprawą moich
fantazji, jest oczywistym wnioskiem, wprost wynikającym z zasady
kosmologicznej. Jak widać, wątek ten co jakiś czas wraca w
moich esejach. Że się powtarzam? Nie zawadzi, bo to dosyć ważne. Poza tym każdy
z tych esejów, to w zasadzie odrębna całość.²
Problem wysycenia.
Stwierdziliśmy,
że rozmiary Wszechświata sukcesywnie wzrastają, choć są ograniczone. Poza
horyzontem nie istnieje nawet przestrzeń, gdyż Wszechświat jest wszystkim. Istnienie czegokolwiek poza granicą horyzontu byłoby
nawet sprzeczne z zasadą kosmologiczną,
choćby dlatego, że obszar powyżej horyzontu
musiałby mieć inne zupełnie cechy, niż znany nam Wszechświat. Świadczyłyby
o tym także parametry promieniowania reliktowego. Oznaczać to powinno, że pomimo niezerowej globalnej masy grawitacyjnej nie
istnieje żadne pole zewnętrzne. Wszechświat jest więc w pewnym sensie wysycony
grawitacyjnie. Jak to strawić? Przede wszystkim warto refleksję tę
skonfrontować z treścią rozdziału piątego w artykule szóstym pierwszej części,
traktującym o plankonach. Ale to
wcale nie uspakaja, wprost przeciwnie. Wszechświat to nie foton.
Albo jest
wysycony – niewidoczny dla ewentualnie istniejących obiektów poza nim, innych
wszechświatów, albo nic poza nim rzeczywiście nie istnieje, a samo wysycenie
nie dotyczy sprawy. Czy to wyczerpuje wszystkie możliwości? Nie możemy dostrzec
innych wszechświatów, gdyż żaden sygnał stamtąd nie może przeniknąć horyzontu ku nam. [Trudno więc traktować Wszechświat jak zwykłą czarną
dziurę.] Także żaden sygnał nie może być wysłany
poza horyzont. My nie ujawniamy swego istnienia, to samo oni. Wokół nas (Wszechświata) nie może więc istnieć także pole grawitacyjne. Zatem Wszechświat jest
obiektem wysyconym
grawitacyjnie, a to implikuje przypuszczenie
wniosek, że jest wysycony także ilością
materii – nie może jej zawierać więcej i nie może mniej.
Ale przecież
posiada masę. Posiada masę dodatnią, a także ujemną energię potencjalną, czyli mamy zero –
będzie jeszcze o tym mowa. Może właśnie dlatego jest wysycony (?). O zerowej masie grawitacyjnej układu punktów materialnych była już mowa w
artykule piątym pierwszej części poświęconym
dualności grawitacji. Tak, ale co czyni Wszechświat obiektem
wysyconym na podobieństwo fotonu (masa fotonu równa jest zeru) pomimo, że
zgodnie z naszym oszacowaniem jego masa wcale nie jest zerowa? Wszechświat, to nie foton („zerowa łączna masa-energia” –
patrz powyżej). Tymi stwierdzeniami
wypaplałem się. By było o czym mówić dalej,
powróćmy do pierwotnego toku rozważań.
Kiedyś, dawno temu, Wszechświat był na tyle (jeszcze)
ściśnięty, że jego masa grawitacyjna równa była zeru. Teraz oczywiście nie. Pomimo uwag powyższych, natrętnie pytam: Jak więc może być wysycony? Czy dlatego, gdyż poza Wszechświatem nie ma żadnego istnienia? Twierdzić tak a priori? Do postawienia kropki nad „i” na
razie daleko. A może to „wysycenie” nie musi oznaczać zerowej
masy grawitacyjnej, a wielkość masy Wszechświata nie ma na to wpływu? W dodatku, jeśli istnieje (wysycenie), to cały czas, od samego początku, zawsze, w
każdej fazie oscylacji Wszechświata. Tu przypomnijmy sobie zasadę
kosmologiczną. Wynika z niej, że natężenie kosmologicznego pola grawitacyjnego
w każdym punkcie przestrzeni równe jest zeru, gdyż w związku z jednorodnością
Wszechświata siły działające na dowolne ciało z przeciwnych kierunków równoważą
się. Przy tym, by to miało miejsce, Wszechświat
wcale nie musi być nieskończenie wielki – co by mogło wynikać z pełnej kompensacji sił (zasada kosmologiczna). Sprawę absolutnej równowagi sił załatwia specyficzna
(dziś nie znana) topologia. [Piszę to z pełną świadomością tego, że powoływanie
się na rzecz niezbadaną nie stanowi argumentu (i kojarzy się z brzytwą), a jedynie wskazuje na możliwy określony kierunek dla
dalszych dociekań.] Wkrótce przekonamy się, dla odmiany, że potencjał pola
globalnego jest wielkością stałą, i nie koniecznie zerową i wszędzie jest jednakowy. [Przypomina
to do złudzenia naładowany elektrycznie przewodnik (w warunkach równowagi
elektrostatycznej)] Wysycenie pomimo istnienia grawitacji...
Czy to możliwe? Niebawem zajmiemy się grawitacją Wszechświata.
To jednak prowokuje do pytania: Czy na zewnątrz Wszechświata,
jego potencjał grawitacyjny ma jakąś wartość? Tak to jest z naładowanym
przewodnikiem. W kontekście naszych rozważań odpowiedź może być tylko jedna:
Wszechświat jest wszystkością, więc pytanie to nie dotyczy sprawy. Problem z wysyceniem pogłębiałby tezę, że nie ma
jakiegokolwiek istnienia poza (nawet percepowalnym) Wszechświatem.
A może
przyczyną tego wysycenia rzeczywiście jest określona, nie zgłębiona przez nas topologia Wszechświata jako
całości? Gdzie tkwi przyczyna tej topologii?
Gdzieś głęboko w „podwymiarach”? Ciekawe, że przestrzeń w „środku” jest płaska,
euklidesowa (o tym więcej w kolejnych artykułach),
a na zewnątrz...Możliwe, że to „zewnątrz” wcale nie istnieje. Ale nie
uprzedzajmy faktów. Jeśli więc na zewnątrz żadne pole nie zdradza naszego
istnienia, to Wszechświat nie może być widoczny dla „kolegów”, nie istnieje
więc dla jakiegokolwiek obserwatora zzewnątrz. Dla swych mieszkańców jest więc
jedynym istniejącym, nawet jeśli stanowi element nieskończonej mnogości. O tej
mnogości wiedzą przy tym tylko naukowi fantaści. Jeśli
On, to także pozostałe wszechświaty z nieskończonego zbioru (albo jeden jedyny,
albo nieskończenie wiele) nie są widoczne. Dla „obiektywnego” obserwatora będącego „na
zewnątrz” istnieje więc tylko nieskończona
pustka. To co on tam robi, do jasnej przez Marszałkowską? Czy istnieje sens dla istnienia nieskończonej pustki? Dla istnienia nieskończonego Nieistnienia? Że to nieistnienie może być pozorne, fałszywe: pełna
energii „Fałszywa Próżnia”? Że sam
Wybuch, a więc i Wszechświat, to bąbel kreowany lokalnie z nieskończonej
energii, a takich bąbli – wszechświatów jest nieskończenie wiele? Atrakcyjna
fantazja – no nie? Ale... Co to
ma do rzeczy? Czy pomoże nam w zrozumieniu naszego Wszechświata? Dodatkowo,
istnienie nasze nie ma zupełnie wpływu na fakt istnienia (lub nieistnienia)
czegoś poza nami.
Już to skłania
do konkluzji, że to, co my percepujemy jako Wszechświat, jest jedynością i
Wszystkością zarazem, a przy tym jest ilościowo ograniczone. Faktem
obserwacyjnym wskazującym na słuszność takiego stawiania sprawy jest znany
wszystkim bez wyjątku fakt nocnej czerni nieba. Zainteresowani (i trochę mniej zorientowani) mogą poczytać sobie o
tak zwanym Paradoksie Fotometrycznym Olbersa. Teza o wysyceniu i ograniczoności
ilościowej Wszechświata przewijać się będzie wielokrotnie w tej pracy. A tak na marginesie, w związku z niezerowością masy i
nasyceniem, coś się wyklaruje już w Aneksie do artykułu pierwszego traktującego
o cząstce neutrino. Na razie,...
...wracając
do Wszechświata, najprawdopodobniej wysyconego grawitacyjnie, możemy być świadomi tego, że jeśli nawet istnieje nieskończona mnogość
innych wszechświatów, ich odkrycie nie jest możliwe, gdyż sądzić można, że
także one są wysycone, nie dając Nam znać o sobie. Układ materialny pretendujący do
bycia wszechświatem (jednym z nieskończonej ich liczby) powinien być
wystarczająco duży, by zapewnić spełnienie zasady kosmologicznej, a więc, by
być wysyconym. Im obiekt większy, tym bliższy temu. Dlaczego My mamy się wyróżniać? Jeśli jeszcze ktoś
wątpi, pomyślmy inaczej. Otóż wykrycie nie jest możliwe nie dlatego,
gdyż wszystko, co widzimy, zalicza się do Wszechświata, zgodnie z definicją
tego pojęcia, lecz dlatego, gdyż być może jakieś szanse na wykrycie innych w
tym, że obiekty nie należące do Naszego, zachowywać się powinny w sposób
nieuzgodniony z tym, co obserwacyjnie wykryliśmy jako prawidłowość w
odniesieniu do naszego Wszechświata, choćby prawo Hubble’a. Jak na razie nic
nie wskazuje na możliwość dokonania takiego odkrycia, nawet na sens takich
oczekiwań. Chociaż...dziwne jest to, co się dzieje w związku z istnieniem
Wielkiego Atraktora... Wniosek stąd byłby ten, że albo różne wszechświaty
nie mogą się nawzajem przenikać (jak na przykład podczas zderzenia galaktyk)
lub ich elementy nie mogą być wzajemnie wykrywalne, wskutek odmienności ich
cech fizycznych; lub też całą absolutną wszystkość materialną i przestrzenną
stanowi Wszechświat przez nas percepowalny. Osobiście wolę to, niż nieskończenie wiele
niewykrywalnych bytów. Nie tylko z powodów praktycznych. A Wielki
Atraktor? Jakieś wyjaśnienie się znajdzie.
Á
propos
¹) A
może ta niezależność równości promieni od czasu (i aktualnego wyglądu
Wszechświata), ta uniwersalność, oznacza, że same
jednostki miar stopniowo wzrastają wraz z
rozszerzaniem się Wszechświata? Nie przybywa więc kilogramów
pomimo stopniowych zmian jasności, nawet pomimo sukcesywnego wzrostu masy. Możliwe to jest jeśli
wszystkie zmiany zachodzą w każdej absolutnie skali – aż do plankowskiej. To
tak, jakby w sensie pomiaru globalnego Wszechświat był statyczny. Byłaby to jednak „statyczność dynamiczna”. Jednostki miar zmieniałyby się tak, że zawsze na przykład
liczbowo masa Wszechświata byłaby niezmienna. Czy to słuszny wniosek? Zobaczymy
dalej.
Załóżmy,
że usztywniamy wartości jednostek wielkości mierzalnych. Wolno nam, gdyż układ
jednostek nie może decydować o sprawach zasadniczych. Fakt pomiaru i rodzaj
stosowanych jednostek, nie może mieć wpływu na cechy obiektywne układów
fizycznych. [Tak, tak, mechanika kwantowa, obserwable, nieoznaczoność...] W tym
kosmologicznym kontekście przychylam się do słynnej wypowiedzi Einsteina: „Czy
jeśli nie patrzę na Słońce znaczy, że ono nie istnieje? ”
Dzięki temu
zastanowieniu jednak skonstatować możemy, że ta „statyczność” mogłaby być bezpośrednio związana z niezmienniczością
ogólnych praw przyrody – niezależnością tych praw od miejsca, czasu i skali.
Czas oczywiście istnieje, a świadczy o tym istnienie zmienności, ewolucji. O ewolucji jednak świadczyłyby
wyłącznie dane obserwacji zmiany lokalne –
aż do inwersji Wszechświata i dalej.
Czy to implikowałoby zmiany wartości stałych uniwersalnych? Nie ma
podstaw do takiego sądu (przynajmniej na razie), choćby
w związku z tym, co stwierdziłem przed chwilą (zdanie podkreślone). Wszak ewentualne zmiany stałych, musiałyby mieć charakter globalny. Szczególnie chodzi
o stałą grawitacji, której zmiany wykluczam, gdyż plankon stanowiący kwant pola
grawitacyjnego, a równocześnie byt elementarny absolutnie, nie może być czymś
zmiennym. O ewentualnych zmianach parametru c już wspominałem niejednokrotnie i
jeszcze na ten temat wypowiem
się.
²) I jeszcze jedno skojarzenie. Jak wiadomo, w
naszym środowisku, cząstki mikroświata poruszają się (z natury rzeczy, nie chodzi o akceleratory)
bardzo szybko, nawet z prędkościami relatywistycznymi. Z tymi samymi
prędkościami poruszają się bardzo odległe galaktyki. Już to może o czymś mówić. [Właściwie, dlaczego naturalna prędkość cząstek jest tak
duża, nie mając nic wspólnego ze względną prędkością ciał otaczających nas? A
może związane to jest z historią początków Wielkiego Wybuchu? Być może. Trzeba przyznać, że
istotny wpływ na wielkość tej naturalnej prędkości mają (stosunkowo silne w
porównaniu z grawitacją) oddziaływania elektromagnetyczne i jądrowe, w których
cząstki te bezpośrednio uczestniczą. Jednak odnoszę wrażenie, że to jeszcze nie
wszystko. Czy ktoś podziela moją niepewność?] A
teraz, jeśli któraś z cząstek pierwotnie należących do tych dziś już odległych galaktyk, w swym ruchu bezładnym, skierowała
się kiedyś ku nam i dotarła do nas, to powinna wykazywać wyjątkowo wielką
energię kinetyczną. I rzeczywiście, takie cząstki wykryto w promieniowaniu
kosmicznym. Już
kila lat temu, w eksperymencie,
KASCADE (Niemcy), z udziałem Polaków, uzyskano (w
atmosferze) kaskady ogromnej liczby, nawet milionów cząstek wtórnych powstałych w wyniku zderzenia cząstek
promieniowania kosmicznego o wyjątkowo dużej energii, z cząstkami atmosfery. Ich energię kinetyczną szacuje się na 10^19 eV. Tak nawiasem mówiąc, cząstki te są
tak szybkie, że ich prędkość jest prawie niezmiennicza. Cząstek tych jest stosunkowo mało. Uważa się,
sądzę, że słusznie, że chodzi więc o składową pozagalaktyczną korpuskularnego
promieniowania kosmicznego. W
dodatku, zgodnie z przypuszczeniem wypowiedzianym powyżej (i oczywiście z
zasadą kosmologiczną), cząstki te powinny przybywać zewsząd. Powinny tworzyć
jednorodne i izotropowe promieniowanie korpuskularne. Tę rzecz należałoby
zbadać. (Na razie) nie
wiadomo, skąd u nich tak wielka energia. Są różne hipotezy, bardziej lub mniej
realne. Teraz jest jeszcze jedna – patrz początek tej refleksji.
Parametry
intensywne – niezależne od ilości materii w układzie: temperatura,
ciśnienie,
gęstość.
**) Megaparsek to milion parseków. 1 parsek równy jest
3,26 lat świetlnych
***) Zgodnie z przypuszczeniami sygnalizowanymi w
literaturze przedmiotu, już po 200 milionach lat. Chodzi tu o gwiazdy powstałe
z fluktuacji gęstości w bardzo ograniczonej skali, jeszcze zanim wyodrębniły
się układy mające przekształcić się w galaktyki – obiekty, które możemy
zobaczyć. Powinny to być gwiazdy o skrajnie niskiej zawartości metali
(pierwiastków cięższych, niż lit). Zdecydowana ich większość, z tych, które do
dziś przetrwały, to gwiazdy z całą pewnością
Brak komentarzy:
Prześlij komentarz