Prędkość światła - stała i nienaruszalna

Prędkość światła - stała i nienaruszalna
Już w XIX wieku, gdy James Clerk Maxwell układał swoje równania, okazało się, że elektryczność i magnetyzm dają się zunifikować w jedną teorię tylko przy założeniu, że prędkość światła jest stała i niezależna od prędkości jego źródła. Potwierdzały to późniejsze eksperymenty, m.in. Alberta Michelsona i Edwarda Morleya.

Okazało się w dodatku, że prędkość światła jest największą możliwą prędkością w znanym nam Wszechświecie, swoistym limitem, którego nie da się przekroczyć. Co jakiś czas pojawiają się sensacyjne doniesienia o „przekroczeniu” prędkości światła, np. przez neutrina w eksperymentach przeprowadzanych we Włoszech. Po weryfikacji nieodmiennie okazuje się jednak, że „rekord nie został pobity”, bo naukowcy coś przeoczyli lub źle zmierzyli.

Ze stałej prędkości światła wynika:

Szczególna teoria względności (STW)

Dwa obiekty zbliżające się do siebie z prędkością wynoszącą 90% prędkości światła, zgodnie ze „zdrowym rozumowaniem”, powinny mieć względem siebie prędkość większą niż światło. Nic podobnego - ogłosił w 1905 r. Albert Einstein. Czas i przestrzeń zakrzywiają się w ten sposób, że prędkość światła pozostaje zawsze stała, jako nieprzekraczalna granica.

Albert Einstein
Albert Einstein

Szczególna teoria względności to także równanie E = mc2, zgodnie z którym masa i energia to zasadniczo to samo, tylko w różnych formach koncentracji. Wykorzystuje to Wielki Zderzacz Hadronów, który, nadając cząstkom wielkie energie, tworzy nowe cząstki. Na tych podstawach skonstruowano Model Standardowy budowy atomu. Kolejne konsekwencje szczególnej teorii względności i dalszych odkryć znajdujemy w ogólnej teorii względności i w kwantowych teoriach pola (o czym poniżej).

Co z ruchem przyspieszonym? W szczególnej teorii względności została pominięta grawitacja. Według Izaaka Newtona grawitacja działa momentalnie, tzn. szybciej od światła. Usuwając zatem dalekie źródło światła i masy, np. Księżyc, grawitacja zniknęłaby, zanim zniknąłby nam z oczu sam Księżyc. Według Einsteina zaś to niemożliwe. Zajął się on więc i grawitacją, i ruchem przyspieszonym.

 

Jednorodność, czyli zasada kosmologiczna

Przekonanie, że Wszechświat jest taki sam wzdłuż i wszerz, i składa się z podobnych do siebie elementów, utrwalone zostało przez wieki obserwacji. Niemniej niektórzy powątpiewają w jednorodność kosmosu, wskazując, że znamy wciąż tylko niewielki wycinek Uniwersum - przykładem są nowo odkrywane gigantyczne struktury, takie jak np. Wielka Ściana Herkules-Korony Północnej, której długość szacuje się na ponad 10 mld lat świetlnych. Przy tak wielkich skalach nie potrafimy już ocenić, czy przestrzeń ma charakter homogeniczny.

Zasada kosmologiczna ma znaczenie w budowie standardowego modelu kosmologicznego, o którym piszemy poniżej jako konsekwencji równoważności grawitacji i przyspieszenia.

 

Równoważność grawitacji i przyspieszenia

Gdy nie ma oporu powietrza, spadające obiekty - czy to kamień, czy piórko - przyspieszają w takim samym tempie. Fakt ten został zauważony już przez Galileusza. Eksperymentalnie potwierdzili to astronauci na Księżycu.

Newton dowiódł, że dzieje się tak, ponieważ masa bezwładnościowa obiektu - czyli opór stawiany przyspieszeniu - równa się jego masie grawitacyjnej, a więc odpowiedzi obiektu na siłę grawitacji. Pomimo długiej historii badań nad tym problemem, zależność ta wcale nie została dobrze wyjaśniona i wciąż nie ma odpowiedzi, dlaczego tak się dzieje.

Albert Einstein uznał równoważność, o której mowa, za prawo natury. Jego ogólna teoria względności mówi, że grawitacja i ruch przyspieszony to dwie strony tej samej siły. Obie siły są sobie równoważne. Jest to fundamentalna dla ogólnej teorii względności zasada równoważności. Jeśli siedzisz w fotelu, też przyspieszasz, bo czujesz siłę grawitacji. Przyspieszasz względem obserwatora, na którego nie działa żadna siła. Wpływ grawitacji odczuwamy tylko wówczas, jeśli się jej przeciwstawiamy.

Z zasady równoważności grawitacji i przyspieszenia wynika:

Ogólna teoria względności (OTW)

Jeśli zgodnie z STW ruch obiektu zakrzywia czas i przestrzeń, to działa tak też jego przyspieszenie. Zaś skoro przyspieszenie jest nieodróżnialne od grawitacji, więc ta ostatnia zakrzywia czasoprzestrzeń. Ogólna teoria względności jest więc niczym innym, jak połączeniem STW oraz zasady równoważności grawitacji i przyspieszenia.

Fale grawitacyjne powstałe z połączenia dwóch czarnych dziur
Fale grawitacyjne powstałe z połączenia dwóch czarnych dziur

Z OTW związane są pojęcia grawitacji, najsłabszego z oddziaływań natury, które jako jedyne nie znalazło do tej pory wyjaśnienia na gruncie mechaniki kwantowej, oraz fal grawitacyjnych, głośnych w ostatnim okresie dzięki pierwszej ich detekcji w 2015 r. w eksperymencie LIGO.

Ogólna teoria względności wyjaśnia, jak - na wielką skalę - funkcjonuje Wszechświat. Jednakże nie czyni tego w całości. Całościowy model kosmologiczny wymaga np. wyjaśnienia sposobu dystrybucji materii.

Zgodnie z OTW punktem odniesienia dla każdego rodzaju ruchu (także przyspieszonego) są swobodnie spadający obserwatorzy, którzy poddali się grawitacji i nie odczuwają działania żadnej siły. Owa siła grawitacyjna pochodzi od całej materii i energii w kosmosie. Czyli: ciało przyspiesza względem punktu odniesienia, na który wpływ ma cała materia Wszechświata.

STW, OTW plus zasada kosmologiczna prowadzą do:

Standardowego modelu kosmologicznego

Przyjmowany współcześnie powszechnie model opisuje Wszechświat z początkiem w postaci Wielkiego Wybuchu (13,8 mld lat temu) - prowadzący od niewyobrażalnie gorącego i gęstego stanu, przez ekspansję, do obrazu, jaki mamy obecnie przed oczami (i przyrządami). Model ten zakłócają jednak liczne anomalie i pytania, na które nie znajdujemy zadowalających odpowiedzi.

 

Kwantyzacja

Rozumowanie w kategoriach energii podzielonej na porcje - kwanty - zaczęło się od odkryć Maxa Plancka i Alberta Einsteina z początku XX wieku. Potem okazało się, że nie tylko światło - czy, szerzej, energia oddziaływań elektromagnetycznych - podzielone jest w ten sposób, ale dzieje się tak też z innymi wielkościami, np. ładunkiem elektrycznym czy spinem cząstek elementarnych. I znów - częste w fizyce i kosmologii pytanie „dlaczego tak właśnie jest?” nie znajduje odpowiedzi.

Przez kwantowanie rozumie się fakt istnienia skończonego lub przeliczalnego zbioru dopuszczalnych wartości danej wielkości. Mówiąc np., że energia elektronu w atomie jest skwantowana, mamy na myśli, że możliwe do zaobserwowania są tylko określone jej wartości, zwane w tym przypadku poziomami energetycznymi.

W pierwszej połowie XX w. dokonano skwantowania pól fizycznych, które polega na przejściu od koncepcji ciągłego pola fizycznego do koncepcji pola zbudowanego z pojedynczo emitowanych i absorbowanych tzw. wirtualnych cząstek (oddziaływanie wymiany, elektrodynamika kwantowa). Istnieją próby skwantowania przestrzeni i czasu, tj. wprowadzenia do opisu teoretycznego zjawisk fizycznych jakby ziarnistej, nieciągłej czasoprzestrzeni - przy czym skala ziaren zarówno czasowych (tzw. czas Plancka), jak i przestrzennych (długość Plancka) jest bardzo mała.

 

Zasada nieoznaczoności

Najogólniej mówiąc, zasada ta oznacza, że istnieje granica, której nie możemy przekroczyć, poznając i odmierzając świat, a co za tym idzie - granica naszej wiedzy o rzeczywistości. Zagadnienie nieoznaczoności można opisywać i wyjaśniać na wiele sposobów. W znanym nam Wszechświecie zjawisko to ma całkiem „praktyczny” wymiar. Pozwala np. cząstkom „tunelować”, czyli przekraczać atomowe bariery energetyczne, aby w reakcjach syntezy termojądrowej rozpalać życiodajne gwiazdy.

Dzięki nieoznaczoności w całkowitym - zdawałoby się - niczym, czyli w doskonałej próżni, pojawiają się nagle, „nie wiadomo skąd”, cząstki elementarne. Oznaczałoby to, że zasada ta stoi u podłoża rzeczywistości w ogóle. To jednak tylko pozornie satysfakcjonujące wyjaśnienie, bo nie może w pełni cieszyć teoria, w myśl której rzeczywistość nie daje się całkowicie poznać.

 

Dualizm cząstek i fal

Obiekty kwantowane nie tylko zakładają maski, które nie pozwalają na ich dokładne obserwacje, ale w dodatku noszą różne maski naraz. Wydają się więc cząstką lub falą jednocześnie. Zgodnie z mechaniką kwantową cała materia charakteryzuje się takim dualizmem, chociaż uwidacznia się on bezpośrednio tylko w bardzo subtelnych eksperymentach wykonywanych na atomach, fotonach czy innych obiektach kwantowych. Dualizm korpuskularno-falowy jest ściśle związany z falami de Broglie'a - koncepcją, która przyczyniła się do powstania mechaniki kwantowej, a w szczególności do wyprowadzenia równania Schrödingera.

Wizualizacja dualizmu korpuskularno-falowego
Wizualizacja dualizmu korpuskularno-falowego

Obecnie dysponujemy wynikami wielu doświadczeń potwierdzających dualizm falowo-korpuskularny. Interferencję wykazują nie tylko elektrony, ale również dowolne cząstki, jak neutrony, protony, cząstki α, a nawet całe atomy i cząsteczki chemiczne.

Bez uwzględnienia równocześnie i falowej, i korpuskularnej natury światła nie bylibyśmy w stanie opisać tak powszechnych efektów, jak zjawisko fotochemiczne, które zachodzi w procesie asymilacji, a więc jest podstawą życia na Ziemi. Konieczność brania pod uwagę równocześnie i falowej, i korpuskularnej natury mikroobiektów nazywamy właśnie dualizmem korpuskularno-falowym.

Zasady kwantowania, nieoznaczoności i dualizmu prowadzą do dziedziny, którą nazywamy:

Mechaniką kwantową

Jest ona tym dla świata atomu, czym dla Wszechświata pozostaje szczególna i ogólna teoria względności. Fizykom byłoby niezmiernie miło, gdyby jedna gładko przechodziła w drugą, albo też logicznie, w sposób dający się sprawdzić, wynikała jedna z drugiej. Niestety, tak nie jest. Ponadto mechanika kwantowa pełna jest tajemniczych i niezgodnych z tzw. zdrowym rozsądkiem zjawisk. Z drugiej strony - czy teorie Einsteina na temat prędkości światła też nie kłócą się z naszymi nawykami myślowymi?

Z mechaniki kwantowej wynika kwestia splątania stanów kwantowych cząstek. Efekt ten, mimo ogromnych obiekcji Einsteina, został wielokrotnie potwierdzony eksperymentalnie. Einstein miał powody do sprzeciwu - teoria zakłada bowiem, że dwie splątane cząstki oddziałują ze sobą natychmiastowo, niezależnie od odległości, w jakiej się znajdują od siebie. Kłóci się to z limitem prędkości światła wynikającym z teorii względności, a przynajmniej tak się wydaje. Efekt splątania ma związek z problemem pomiaru, który opisujemy w artykule „Sześć problemów kosmologicznych”.

Zasady kwantyzacji, nieoznaczoności i dualizmu, czyli mechanika kwantowa wraz z STW, prowadzą do obszaru tematycznego zwanego:

Kwantowymi teoriami pola

Przyjmując, że masa i energia to zasadniczo to samo, a cząstki mogą rodzić się z „niczego”, czyli z próżni, logicznie traktuje się w kwantowych teoriach pola cząstki elementarne jako „wzbudzenia” pola, stanowiące podłoże rzeczywistości. Teoretyczną podstawą dla tego nurtu było równanie opracowane przez brytyjskiego fizyka Paula Diraca w latach 20. XX wieku. Z jego opisu zachowań relatywistycznych elektronów wynikało po raz pierwszy istnienie antycząstki - pozytonu. Wkrótce ją odkryto. Antymateria, a raczej jej niedobór we Wszechświecie, to jeden z głównych problemów współczesnej fizyki.

Z powyższych teorii pola, mechaniki kwantowej, tworzących ją zasad i STW powstaje:

Model Standardowy fizyki cząstek elementarnych

„Domknięty” nie tak dawno przez odkrycie bozonu Higgsa Model Standardowy sumuje to, co wiemy współcześnie o atomowym świecie. Łączy elektrodynamikę kwantową (QED) opisującą w zunifikowany sposób elektromagnetyzm i jądrowe oddziaływania słabe z chromodynamiką kwantową (QCD), teorią jądrowych oddziaływań silnych. Zatem fotony elekromagnetyczne, bozony W i Z sił słabych oraz gluony - silnych, są ujęte w jednym modelu, „skąpanym” w stwórczym polu Higgsa. Pozostaje tylko z żalem odnotować brak w tym doborowym towarzystwie grawitacji…

 

Co z powyższego wynika? Oczywiście problemy

Problemy, z którymi zmaga się współczesna kosmologia, opisywane przez nas w następnym artykule, wynikają z opisanych wyżej zasad i ich konsekwencji…

Ze standardowego modelu kosmologicznego wynikają takie problemy, jak:

  • ciemna materia,
  • ciemna energia,
  • inflacja,
  • unifikacja oddziaływań,
  • problem idealnego dostrojenia Wszechświata.

               

Z Modelu Standardowego cząstek elementarnych płyną następujące problemy:

  • unifikacja oddziaływań,
  • problem idealnego dostrojenia Wszechświata.

               

Z kwantowego efektu splątania:

  • problem pomiaru.

 

Inspirowane przez „New Scientist” z 24 września 2016 r.