"Wiem, ze nic nie wiem"
Fizyka (zarówno ta zwykła, jak i kwantowa) jest jak opisywana przez nią nieskończoność. Gdy docieramy do granicy świata poznanego, to z niepokojem patrzymy na horyzont i zastanawiamy się, co dalej. Bo choć fizyka całkiem sprawnie opisuje wszechświat, to w wielu momentach jesteśmy zmuszeni rozłożyć ręce i zacytować Sokratesa: “Wiem, że nic nie wiem”
Kosmologiczna inflacja i problem początku
A było już tak pięknie. Gdy w 1981 r. Alan Gutha zaproponował atrakcyjną i jasną teorię drugiej fazy początku wszechświata, zapanowała euforia. Według niej u zarania dziejów rzeczywistość rozszerzała się niezwykle szybko, a odpowiada za to ujemna próżnia. Otóż nasz świat był kiedyś bardzo małym punktem znajdującym się w fałszywej próżni (w polu Higgsa). Wyobraźcie sobie przez chwilę zwykłą próżnię. Nie ma w niej ani jednej cząstki. Obszar ten staje się niestabilny i zaczyna tunelować do jeszcze niższego stanu energetycznego, do innej rzeczywistości lub innego wszechświata, jak zakłada teoria strun. Tak właśnie powstaje fałszywa próżnia. Tworzy się ujemne ciśnienie, które działa jak potężna siła rozprężająca.
Fałszywa próżnia przechodzi ze stanu fałszywego do prawdziwego, wywołując tym samym kolosalną ekspansję i nadanie cząstkom elementarnym masy (masa ta pochodzi z energii unicestwionego pola Higgsa). Etap inflacji mija, a świat rozszerza się znacznie wolniej (faza trzecia i czwarta widoczne na ilustracji).
Teoria Alana stara się wytłumaczyć, jak z mikroskopijnego punktu nagle zrobiło się coś niesamowicie wielkiego. Według teorii Wielkiego Wybuchu istniał 10-wymiarowy, hiperprzestrzenny twór. Byt ten był jednak niestabilny i rozpadł się na dwa światy: 6-wymiarowy zapadł się w sobie, a nasz 4-wymiarowy zaczął się rozszerzać. Owo rozszerzanie to kosmologiczna inflacja. Ale jakie były warunki początkowe?
Twór o nieskończonej masie i energii musiał znaleźć się w jakiejś rzeczywistości, by rozszczepić się na dwa światy. Ale skoro nie było żadnej rzeczywistości przed nastaniem wszechświata, to nie może być mowy o warunkach początkowych. Roger Penrose stwierdził, że kosmologiczna inflacja jest tak skomplikowana, że wymaga konkretnych warunków początkowych i że ich usunięcie na rzecz świata ex-nihilo jest uproszczeniem i niczego nie wyjaśnia.
Drugi problem z teorią Alana możemy zaobserwować, wpatrując się w nocne niebo oraz ilustrację poniżej. Gdyby Gutha miał rację, to niebo byłoby całkowicie jednorodne, a model wszechświata gładki. Tymczasem są galaktyki, gromady galaktyk i inne twory, które możemy opisać jako zaburzenia gęstości. W modelu Alana nie ma na nie miejsca. Gęstość rozprzestrzeniająca się z jednego punktu w nicości musi tworzyć byt absolutnie jednorodny.Astrofizycy nienawidzą pojęcia “warunków początkowych”, bo wpędza ich ono do piekła nieskończoności. I choć posługują się tym terminem, opisując Wielki Wybuch (ze wspomnianego wcześniej bytu o nieskończonej masie i energii), to muszą natrafić na mur warunków początkowych rzeczywistości. Inflacja kosmologiczna była próbą ominięcia tego problemu, ale spełzła moim zdaniem na niczym. Mizernym wyjaśnieniem miało być pole inflatonowe, czyli rzeczywistość, w której mogła zajść kosmologiczna inflacja, ale pole to też wymaga warunków początkowych i jakiejś przestrzeni istnienia. Na jego temat nie wiemy właściwie nic poza przypisywaniu mu cech niemalże Boga.
Teoria Wielkiego Wybuchu i kosmologiczna inflacja wciąż obowiązują jako bazowe teorie dla dalszych dociekań. Szkoda tylko, że kompletnie nie mają sensu.
Sonoluminescencja
Efekt jest najlepiej widoczny (choć nie gołym okiem), gdy działaniu ultradźwięków poddamy wodę gazowaną, choć badanie jest wtedy bardzo utrudnione i nikt tego typu eksperymentów nie wykonuje. To właśnie malutkie bąbelki gazu emitują rozbłysk, gdy przepłynie przez nie fala akustyczna. Pod jej wpływem zapadają się w sobie i “iskrzą” wyładowaniem elektrycznym.
Dopiero w 1989 r. udało się wywołać to zjawisko na pojedynczej bańce gazu poprzez wytworzenie fali stojącej w zamkniętym naczyniu. Od tamtego czasu minęło wiele lat, a mimo to wciąż nie wiadomo, jakie zasady rządzą tym przedziwnym fenomenem.
Stabilne środowisko pojedynczego bąbelka pozwoliło na dokładniejsze badania zjawiska. Ku zdumieniu naukowców okazało się, że temperatura wewnątrz zapadniętej bańki jest tak wysoka, że mogłaby topić stal (niektórzy twierdzą, że jest to prawie milion stopni Celsjusza). Liczba ta według innych badaczy jest mocno zawyżona. Eksperymenty na University of Illinois wskazują (niejednoznacznie), że jest to około 20 000 st. C. Zjawisko było na tyle szokujące, że armia amerykańska prowadziła badania nad sonoluminescencją wywoływaną przez śruby napędowe statków i łodzi podwodnych (podczas kawitacji).
Wspomniane wcześniej eksperymenty na pojedynczej bańce gazu pozwalają utrzymać proces w stanie stabilnym i ciągłym. Wtedy bąbel zapada się i rozszerza cyklicznie, emitując za każdym razem rozbłysk. Rozbłyski są niezwykle krótkie – od 35 do kilkuset pikosekund. Bańka zapada się do rozmiarów około 1 mikrometra, wariacje zależą od płynu i gazu w pęcherzyku. W dość naturalny sposób można zwiększyć intensywność rozbłysków poprzez dodanie do gazu domieszki helu, argonu lub ksenonu. Wykrycie dokładnej temperatury w bąbelku jest bardzo trudne ze względu na otaczający płyn, który zakłóca odczyt długości fali promieniowania emitowanego przez rozbłysk.
Chemicy David J. Flannigan i Kenneth S. Suslick opublikowali artykuł w “Nature”, w którym udowodnili, że w centrum każdego zapadniętego bąbla znajduje się niezwykle gorący rdzeń z plazmy. Na tej podstawie stwierdzili, że temperatura musi wynosić co najmniej 20 000 st. C.
Niezliczone próby wyjaśnienia fenomenu spełzły na niczym. Proponowano wyładowania koronowe, nieklasyczne źródło światła (mechanika kwantowa), zjawisko tunelowe, tryboluminescencję (kolejna zagadka fizyki). Niestety, żadna z tych teorii nie pasuje do zjawiska.
W 2002 r. pojawiło się 60-stronicowe opracowanie, które w dość rozsądny sposób stara się wyjaśnić fenomen. Podczas zapadania się bąbla wewnątrz tworzy się duże ciśnienie i wzrasta temperatura, co powoduje częściowe zjonizowanie gazu. Elektrony ze zjonizowanych atomów reagują z atomami neutralnymi, co wywołuje emisję promieniowania cieplnego (rozbłysk). Ciśnienie następnie spada, a elektrony ponownie łączą się z atomami (koniec rozbłysku). Ciągle jednak pozostaje problem kolosalnych temperatur, które w opracowaniu pominięto.
Rensselaer Polytechnic Institute ogłosił w 2006 r., że udało się wywołać fuzję nuklearną za pomocą zjawiska sonoluminescencji. Oznacza to, że w bąbelku nastała temperatura rzędu 1 000 000 st. C!
Całkiem niedawno pojawiła się kolejna teoria, która bardzo szybko zdobyła popularność. Julian Schwinger zasugerował, że fenomen powstaje przez stan próżni w bąbelku (proces bardzo podobny do promieniowania Hawkinga). Ta kwantowa teoria opiera się na tezie, że w próżni istnieją wirtualne cząstki, w tym fotony. Gwałtowne zmiany w bańce gazu powodują, że te wirtualne fotony przechodzą w cząstki prawdziwe (efekt Unruha lub efekt Casimira) i dają rozbłysk tuż po narodzinach. Gdyby była to prawda, to jesteśmy świadkami pierwszego obserwowalnego kwantowego promieniowania próżni!
Parafrazując popularne powiedzenie: gdzie chłop nie może, tam kwantową fizykę pośle. Czy kiedykolwiek dowiemy się, czym jest sonoluminescencja? Boje się, że przyłożenie do niej kwantu zrodzi tylko więcej pytań niż odpowiedzi…
Mariusz Kaminski cykl artykulow pod wspolnym tytulem "Najwieksze zagadki fizyki"
Moj komentarz:
Wybralam 2 opisywane przez Mariusza Kaminskiego fenomeny, poniewaz moim zdaniem wzajemnie sie uzupelniaja i przedstawiaja jedna i ta sama tajemnice, a manowicie zagadke Wielkiego Wybuchu.
Do dzisiejszego dnia czesc naukowcow zajmuje stanowisko, ze zadnego Big Bang`a nie bylo, a druga czesc prowadzi badania nad istota wybuchu, zakladajac tym samym, ze byl.
Jaka jest prawda? A co by bylo gdyby obie grupy na raz mialy racje, Big Bang byl i zarazem go nie bylo?
Czy to mozliwe fizycznie? Mysle ze mozliwe, wystarczy zalozyc, ze zrodlo wybuchu istnialo w Jednoczasie. Co to znaczy?
To stan wiecznego "teraz", a wiec wszystko co powstaje, jednoczesnie, w tym samym momencie sie rozpada, poczatek jest jednoczesnie koncem.
Alfa i Omega. To dlatego Zrodlo, czy Absolut sa niesmiertelne. Zrodlo istnieje w rzeczywistosci ale nie w przestrzeni, przestrzen jest tylko elementem rzeczywistosci jak czas,ktoremu przestrzen nadaje fraktalna strukture, a bez niej czas jest jednorodny.
Rzeczywiscie Mariusz Kaminski ma racje, to rodzi coraz wiecej pytan, a konca nie widac...
Co za tem jest mozliwe?
