#6 Kosmiczne Rafaello, czyli Biała Dziura

Witajcie!

Zapewne zdziwił Was tytuł. Miał zadziałać na zasadzie odruchu Pawłowa - rafaello - wywołać cieknącą ślinkę, ale zamiast niego schrupiemy dziś białą dziurę. Czym jest, czy w ogóle jest, i przede wszystkim - z czym się to je (dziurę, bo do tego, jak jeść rafaello, nie trzeba znać fizyki ;))? Wyjaśnię poniżej, gdy tylko wrócę ze sklepu. Sam sobie narobiłem apetytu ;)

1. Biała dziura - chwila, a gdzie czarna?!

Czym jest czarna dziura, nie muszę chyba nikomu tłumaczyć. Wie o niej wszystko każdy przedszkolak, ba, nawet dzieci w żłobku robią już do mamy oczka, które przypominają dwa czarne guziczki wtedy, gdy chcą pokemona ze sklepu ;) O czarnych dziurach pisałem trochę w poście #2 - tym o gwiazdach neutronowych: #2 Gwiazdy Neutronowe czyli młodsze siostry czarnych dziur.

Informacje zawarte w powyższym poście zupełnie nam wystarczą, bo o czarnych dziurach można przeczytać prawie wszystko na przepastnych cyberautostradach Internetu.

2. Narodziny białych dziur... na białym papierze.

Teoria względności Einsteina z początku XX wieku przewidziała istnienie czarnych dziur, po czym, jak na zawołanie, bo tylko kilkadziesiąt lat później, wykryto je za pomocą teleskopów. Jednak fizycy są z natury sprytni i często szukają dziury (tym razem białej) w całym. W 1964 astrofizyk zza Buga - Igor Novikov - zaproponował dość niecodzienny pomysł rozwiązania równań wielkiego A.Einsteina. Wykorzystał fakt, że równania teorii są odwracalne w czasie - posiadają tzw. odbicie T. Jej równania można rozwiązać i uzyskać wymierne wyniki nawet wtedy, gdy... odwrócimy bieg czasu. A to przecież takie proste... na szczęście tylko dla matematyków ;) Jakby wyglądały ulice? Ministerstwo Głupich Kroków byłoby przy tym kaszką z mlekiem. Ale do rzeczy.

Abrakadabra, strzałka czasu odwrócona! Biała dziura to po prostu jej czekoladowa siostra z czasem puszczonym wstecz. Dodatkowo, naukowcy zajmujący się na co dzień, tak jak niektórzy z nas mieszają herbatę, matematyką czarnych dziur, bawią się w różne symulacje. A to wyłączą prąd, a to pomalują ją na różowo, a to dorysują wąsy... A poważnie - zabierają im ładunki bądź wyłączają rotację, lub, i to jest nasz przypadek, obniżają masę osobliwości grawitacyjnej do zera. Wtedy powstaje biała dziura. Jest ona koncepcją, czysto teoretycznym mirażem (prawie, ale o tym w dalszej części programu), ale - bardzo nęcącym dla matematycznych zboczeńców ;) Trzeba jednak podkreślić, że rozwiązania równań dla białych dziur są hipotetyczne, ponieważ opisują Wszechświat składający się jedynie z czarnych dziur, białych dziur oraz tuneli czasoprzestrzennych - bez materii, promieniowania i energii.

Ale co wiemy o tych wyimaginowanych dziwadłach?

3. Biała dziura w praniu, czyli 'Kurde, dlaczego nie wyjąłem rafaello z kieszeni spodni...'

Czarna dziura jest odwrotnością białej dziury. Biała damulka wypycha materię na zewnątrz, zamiast ją wciągać! Nie działa jak kosmiczny odkurzacz, tylko jak kosmiczna plujka. Trochę materii tu, trochę tam... Jest jakby złośliwą siostrą dziury czarnej, bo gdy tamta wsysa, białaska puszcza kosmicznego pawia ;) Ale nie od dziś wiadomo, że tak jest zawsze między rodzeństwem ;) Do białej dziury nie da się wejść, można z niej tylko wyjść. Istnieje tak długo, dopóki poza horyzont zdarzeń nie dostanie się materia. Wystarczy jeden atom wodoru, jedna kuleczka i bum! Nastąpiłby kolaps do czarnej dziury. Białe dziury, gdyby istniały, byłyby bardzo niestabilne. Egzystowałyby tylko przez niewielką liczbę sekund po czym przeistoczyłyby się w swoją czarną odpowiedniczkę.

Dlaczego prawa fizyki tak bardzo nie lubią białych dziur? Dlaczego?! O, bezlitosne, cóżem ja wam uczyniła? Czyżby kosmiczny rasizm? ;) Białe dziury, gdyby istniały, musiałyby stać w sprzeczności z drugą zasadą termodynamiki. To nie takie trudne, jak Wam się wydaje, już objaśniam.

4. Dlaczego fizyka nie lubi Białych Dziur?

Pojęcie entropii jest Wam na pewno znane z lekcji muzyki i techniki. Nie? Udowodnię, że tak ;) Wyobraźmy sobie pianino. Każdy je widział na muzyce... 1-0 dla mnie. A teraz... Bierzemy młotek i rozwalamy to pianino na drzazgi. Każdy widział młotek na technice. I już po Was ;)

A teraz entropia. Mamy dwie sytuacje - pianino w całości i po ataku ucznia, który dostał pałę za śpiewanie Bogurodzicy. Wszedł w nocy do szkoły, ukradł młotek z pracowni techniki... Nieważne. Pianino i sterta wiórów. Entropia to stopień nieuporządkowania układu. A raczej - w jak wielu różnych stanach mogą znajdować się cząstki w układzie w danym momencie. Siekamy pianino na plasterki i entropia rośnie, bo trociny mogą znajdować się w o wiele większej liczbie konfiguracji niż samo pianino. De facto, entropia zawsze rośnie, albo pozostaje stała. To właśnie druga zasada termodynamiki. I tak jest w całym Wszechświecie, przynajmniej takim, jakim go znamy obecnie. A biała dziura plwa na te wszystkie entropie i termodynamiki. W teorii - kosmiczne rafaello zmniejszałoby ją. A tego zabraniają nam obecne prawa fizyki. Olaboga, i co teraz? Co wyście stworzyli, matematycy?! Czarne dziury robią wszystko, jak należy - rąbią na kawałki, w zasadzie na atomy całe gwiazdy, wciągając je, powiększają entropię jak fiza nakazuje. A biała? Szkoda słów. Kosmiczna czarna owca wcale nie jest czarna.

5. Biała dziura i pętlowa grawitacja kwantowa.

Wróćmy do równań teorii grawitacji, bo tam kryje się zagadka pochodzenia białych dziur. Teorie Einsteina niestety załamują się, gdy przychodzi do obliczeń nieskończenie gęstej osobliwości grawitacyjnej we wnętrzu czarnej dziury. Lecz dwójka fizyków - H.Haggard i Crovelli z Aix-Marseille University, którzy pracują nad tzw. pętlową grawitacją kwantową dowodzą, że czarne dziury mogą transformować się do białych poprzez procesy kwantowe. Transformować, entropia, kwantowe... Tyle mądrych słów, tyle mądrych słów... To może jakiś obrazek ;)

Czym jest pętlowa grawitacja kwantowa? Jest to jedna z wersji teorii grawitacji kwantowej - Świętego Graala współczesnej fizyki teoretycznej - unifikacji teorii kwantów (opisującej cząstki) oraz teorii Einsteina (grawitacja w astrofizyce, oddziaływania grawitacyjne na dużą skalę). Pętlowa grawitacja kwantowa zakłada, że czasoprzestrzeń składa się z fundamentalnych bloków ukształtowanych jak pętle. O co tyle hałasu? Weź pan tę pętlę i powieś się zamiast przynudzać! Otóż nie.

Gdy gwiazda umiera, zapada się pod własnym ciężarem. Jednak zamiast zapadać się do osobliwości o nieskończonej gęstości (założenie teorii względności), odbija się i tworzy białą dziurę! Po prostu, osobliwość nie może mieć nieskończenie małego rozmiaru, jako że 'piksel' czasoprzestrzeni - pętla, najmniejszy możliwy rozmiar obiektu w naszej rzeczywistości, ma rozmiar skończony. Czarna dziura przechodzi w naturalny sposób w dziurę białą. W jednej chwili ferrero rocher, zaraz potem - rafaello ;)

Powyższy proces trwałby bardzo krótko, dosłownie tysięczne części sekundy, jednak tylko dla obiektów znajdujących się bardzo blisko osobliwości. Ze względu na dylatację czasu, czyli relatywizm i fakt, że przy czarnej dziurze, ze względu na grawitację, czas płynie wolniej - całe zdarzenie wyglądałoby dla obserwatorów zewnętrznych jako trwające miliardy lat! Dlatego mówi się, że mikroskopijne czarne dziury powstałe tuż po Wielkim Wybuchu mogłyby zostać widziane jako wybuchy białodziurowe dopiero teraz. No, świetny refleks!

6. Drzwi do innych Wszechświatów? Ej, rafaello, naprawdę?

Inną ciekawą właściwością białych dziur i obliczeń teorii względności dla odwróconego czasu jest fakt, że mogą one być, po połączeniu z czarną dziurą tunelem czasoprzestrzennym, miejscem wylotowym do innego czasu, przestrzeni, ba, może Wszechświata? To oczywiście hipoteza na temat hipotetycznego obiektu bo, jak napisałem wcześniej, taki Wszechświat serwowałby nam jedynie białe i czarne dziury oraz tunele. Coś za coś. Swoją drogą, drogie to rafaello... =]

7. Czy to była biała dziura, tam, na nocnym niebie?! A nie, to NASA.

14 czerwca 2006 roku satelita SWIFT należąca do NASA zaobserwowała eksplozję materii w głębokim Kosmosie, której astronomowie do dziś nie potrafią wyjaśnić. Mówiło się o rozbłysku gamma - najbardziej energetycznym wybuchu we Wszechświecie - milion trylionów silniejszym niż światło, jakie zapodaje nam Słońce. 102 sekundy bardzo silnego promieniowania. Rozbłyski gamma trwają tyle tylko podczas wybuchu supernowej. Jednak przy GRB 060614 nie zaobserwowano supernowej. Białe, gorące światło pojawiło się znikąd, po czym zniknęło. Próbowano też podpiąć pod to wydarzenie zderzenie dwóch czarnych dziur, albo czarnej dziury i gwiazdy neutronowej... Ale takie wybuchy trwają 2-3 sekund.

Ostatecznie stwierdzono, że gdyby kiedykolwiek zaobserwowano białą dziurę, wydarzenie to wyglądałoby dokładnie tak, jak GRB 060614 14 czerwca 2006 roku :)

8. Bajka na dobranoc... Wciagnięci i wypluci, przez dziurę czarną i białą :)

Film pokazuje widok, jaki ujrzelibyśmy wpadając do czarnej dziury, osiągając punkt osobliwości i wylatując wystrzeleni przez białą dziurę :) Czysto hipotetyczna sytuacja, interpretacja raczej artystyczna. Ale jest na co popatrzeć. Do zobaczenia po drugiej stronie! ;)

Aha, zapraszam na Patronite! To nie takie trudne założyć tam konto i wesprzeć klikanie w klawiaturę! :)

patronite/DiesPhys

Oraz na Facebook fanpage; więcej nas, jest ciaśniej ale weselej! ^_^

fanpage/DiesPhys

#5 Co jeść i jak ćwiczyć, czyli Max Planck i jego słynna Długość

Witajcie!

Kolejna już odsłona mojego bijącego popularność w całej galaktyce bloga! Kosmici już pukają do okien i podsuwają nowe pomysły, zaraz, a może pukają się w głowę? To byłoby bardziej prawdopodobne... Właściwie to materiał na nowego posta podsłuchałem na przystanku od pani Wiesi i Barbary, miałem szczęście, że akurat wracały z kościoła... No dobra. Jestem takim trochę fizykiem, ale też i fizolem, bo lubię biegać. I to i to na fi, więc jesteśmy w domu.

Dziś chciałem pomęczyć przysłowiową bułę tzw. Długością Plancka. Placka, planka? Nie, nie! Tego się nie je i nie służy też do wzmacniania mięśni brzucha. Ta długość to najmniejsza odległość mająca sens fizyczny. Co to oznacza? Właśnie to, co napisałem. Dobranoc.

1. A co to takie malutkie, ło, tam?

Ok, teraz już poważniej. Max Planck był to niemiecki fizyk, który zapoczątkował, wraz z paroma innymi, nie do końca normalnymi - na tle górnictwa, zbierania rupieci w piwnicy i przybijania młotkiem gwoździa - facetami, fizykę kwantową na początku XX wieku. Naszej ery oczywiście ;) Czym jest kwantówka - każdy słyszał, nie każdy wie, co się z tym wiąże, dla nas wystarczy wiedzieć, że to głównie zachowanie materii i energii na poziomie podstawowym oraz że bez niej nie byłoby komputerów. Nie tylko kwantowych. Ale ja nie o tym tutaj.

Czym jest długość Plancka? Bardzo ładnie się składa, że to tak zwana wielkość naturalna. Dlaczego naturalna? Bo nie ma owoców i bakalii, sama naturalna przyjemność. A już mądrzej to dlatego, że została obliczona jako kombinacja trzech stałych, fundamentalnych dla przyrody. Na piękne równanie dające jako wynik długość pana Maxia składają się: newtońska stała grawitacji (G), prędkość światła (c) - podstawa dla elektromagnetyzmu oraz kwantowomechaniczna stała Plancka (h). Równanie wygląda tak:

Lp = √(h*G/c^3)

Czasami fizycy nazywają jednostki naturalne 'boskimi jednostkami'. Dlaczego? Ponieważ są one uniwersalne w całym znanym nam Wszechświecie, jako że są kombinacją stałych fizycznych. O ile prędkość światła i inne konstansje są takie same w całym Kosmosie, byle kosmita mógłby zrozumieć równanie zapisane na bazie jednostek naturalnych. Usunięta została antropocentryczność, czyli ludzka zależność od naszego systemu liczbowego.

2. Skala, czyli ile placków można zjeść, żeby poprawnie wykonać plank.

A teraz sama długość, chociaż trudno nazwać takie maciupeństwo długością... hmmmm. Ok, mamy te 1.6^-35 metra, zero, kropka, 33 zera, jedynka i szóstka. Można powiedzieć, że długo długo nic, a na końcu szesnastka, ale nie czas tu na numerologię. Chciałbym unaocznić czytelnikowi, jak mała jest to liczba.

Załóżmy, że mamy deskę o wysokości 1.6 metra, czyli mniej więcej wielkości nastolatka albo sporego wzrostu karła ;) podzielmy tę deskę na 10 części. Otrzymujemy 0.1 długości deski, czyli 16cm. Następnie, podzielmy 16 centymetrowy odcinek na 10 kolejnych kawałków. Otrzymujemy 1,6 cm, czyli dystans, jaki ślimak mógłby uznać za solidny spacer z zadyszką ;). To już drugie miejsce po przecinku, czyli 0.01 deski - 1.6^-2 metra. Powtórzmy tę czynność... 33 razy. Nadążacie?

Może inaczej. 1.6^-35 to wielkość NIEWYOBRAŻALNIE mała.

Każdy widział na rysunku atom, te kuleczki i orbitki, zupełnie jak mały Układ Słoneczny. Nie tak to wygląda w rzeczywistości, ale mniejsza z tym. Większa o... rozmiary. Te małe kuleczki w środku, protony i neutrony, mają rozmiar około 10^-15 metra. To znaczy - 0.000000000000001 metra. Cały atom wodoru, z elektronami okrążającymi go w orbitalach osiąga niebotyczne rozmiary 10^-10 metra. Na pewno te zera i jedynki nie mówią nic nikomu, poza informatykami i komputerami (których rzesza na pewno też czyta ten post ;)), dlatego posłużę się skalami. Gdyby jądro (atomu...) miało rozmiar łebka od szpilki, elektrony znajdowałyby się na koronie dużego stadionu piłkarskiego. Jak sami widzicie, podręczniki z pedałówy kłamią. Nasza materia składa się przede wszystkim z ... pustki :)

To tylko początek ukazania skali długości Placka. Planka. Plancka. Ufff. Przy takiej manipulacji liczbami można pogubić się w literach ;) Wyobraźcie sobie, że ten mały atom wodoru (10^-15 metra) chcielibyśmy skonfrontować z długością Plancka, czyli skalą 10^-35 metra. Wydaje się, że to niewiele mniej, prawda? Owszem, wydaje się, ponieważ ludzki mózg ma problem z wizualizacją postępu geometrycznego i innych, podobnych ciągów. W końcu na papierze to tylko parę zer, trochę miejsc po przecinku... Nic bardziej mylnego. Aby móc wyobrazić sobie różnicę między atomem wodoru a długością Plancka, należałoby atom powiększyć. Jak bardzo? Załóżmy, że 10^-35 ma wysokość drzewa, przy odpowiednim skalowaniu. Wobec tego, jak duży powinien być atom wodoru? Wielkości lasu! Puszczy! Nie. Nie. Ziemi? Układu Słonecznego?! Galaktyki?! Bredzę? Też nie. Atom wodoru, aby zachować skalę, musiałby mieć rozmiar... widzialnego Wszechświata. To znaczy 92... miliardów lat świetlnych. Rok świetlny to 9.46^15 metra czyli około 9 bilionów kilometrów. Teraz można się już położyć i spokojnie odłożyć na stolik nocny wyrwane włosy z głowy. O ile coś z niej jeszcze zostało ;)

3. Deserek, wisienka na torcie, to znaczy na Pla(n)cku.

Dobrze. Ci z Państwa, którzy lubią liczby, na pewno czują się usatysfakcjonowani. Ale najlepsze danie zostawiłem na koniec. Na początku napisałem, że długość Plancka to najmniejsza długość mająca sens fizyczny. Tak, sens fizyczny, ale jaki sens ma w ogóle ostatnie zdanie? Co to znaczy sens fizyczny?

Załóżmy, że dysponujemy magiczną lupą, która wprowadza nas w przedziwny, w zasadzie im mniejszy, tym dziwniejszy, nano-świat. Pomijamy grzyby, ryby, bakterie (do których wszakże nie trzeba lupy, chyba że do potomstwa sardynek lub tych małych, najsmaczniejszych grzybków ze słoika ;), komórki, DNA, bla, bla bla. Nasza lupa robi co może i pokazuje na atom wodoru, protony i neutrony w jądrze ~10^-15 metra. Dalej znajduje się już tylko średnica elektronu - 10^-20 metra. Taka jest granica technologiczna, aby spoglądać głębiej i powiększać dalej, musielibyśmy dysponować nieosiągalnym dziś sprzętem. Już sam elektron jest enigmatyczny, bo jego średnica jest jedynie szacowana, a sam, jako niepodzielna cząstka elementarna, określana jest jako punktowa, czyli nie posiadająca wymiarów! Takie założenie stosuje się przy obliczeniach i, jak dotąd, przy dość małym błędzie pomiarowym, sprawdza się ono. Ale przecież elektron jest obiektem fizycznym, nie matematycznym, bezwymiarowym punktem! Istnieje, na Peruna! Perun tu nie pomoże. Ani nawet nasza obecna technologia.

I oto, nasza hipotetyczna lupa, pozwala nam zajrzeć dalej! To, co dzieje się w skali 10^-35 metra jest na razie czystą spekulacją. Najtęższe umysły świata próbują przewidzieć, co też tam zachodzi. I są to spekulacje naprawdę elektryzujące.

3.a. Hipoteza #1.

Istnieje pomysł, że przy skali Plancka zwykła, czterowymiarowa czasoprzestrzeń przestaje istnieć. Nikt nie wie, jakie procesy tam zachodzą, ani co zajmuje miejsce czasoprzestrzeni. Być może inna liczba wymiarów? O większej ilości wymiarów mówiłem w poście #1 (http://diesphys.blogspot.com/2016/04/1-4d-czyli-wyzszy-wymiar-przestrzenny.html). Jeśli to nie jest wystarczająco interesujące, to spadajcie. Ja się tak nie bawię, następnym razem napiszę relację z Halloween party na fermie drobiu w Oborze koło Lubina, gdzie kurczaki przebrane za wampiry... ;) Ale, co tam. Dobrnęliśmy już z lupą tak daleko... Niech będzie ;)

Oprócz innej liczby wymiarów, w skali Plancka czasoprzestrzeń może wyglądać jeszcze inaczej. I nie, to nie są opowiadania science-fiction, ani filmy pokroju Atak Krwiożerczych Pomidorów z Kosmosu. Hipotezy, które przedstawiam, mają swoje pochodzenie w najlepszych ośrodkach naukowych świata.

Być może przy odległości Plancka istnieje całkowicie nowy koncept rzeczywistości, wyglądem przypominającym boisko do futbolu amerykańskiego. To nie znaczy, że jest tam trawa i biegają po nim małe ludziki w kaskach. Chodzi o linie poprzeczne boiska, rozmieszczone co pewną, określoną odległość. Te linie tworzą strukturę, z której składa się Wszechświat, a co najgorsze, pomiędzy nimi nie ma... nic. Nic?! A nic. Po prostu i dosłownie nic. Te linie to budulec i swoista tkanina całej rzeczywistości. Przy poruszaniu się w tej skali, istnieją tylko cyfrowe przeskoki, nie ma ciągłego ruchu! To tak jakby futbolista biegł, ale pojawiałby się tylko na kolejnych liniach, bez pokonywania odległości między nimi, bo między nimi nie istnieje nic. Nie ma żadnych stanów pośrednich, nie ma żadnego przebywania drogi, między liniami nie istnieje przestrzeń... Oczywiście, przy odpowiednim powiększeniu i pojawia się wrażenie poruszania się, bo już z w skali niewiele większej niż 10^-35 metra pojawia się wrażenie ruchu ciągłego. Ale na najbardziej podstawowym poziomie, istnieją tylko cyfrowe przeskoki, zero albo jeden, linia albo nicość. Rzeczywistość miałaby charakter zdigitalizowany.

3.b. Hipoteza #2

Inna hipoteza mówi, że zmniejszanie poniżej tej długości jest pojęciem, które nie ma sensu, a czas i przestrzeń mogą być właściwościami emergentnymi Wszechświata. To znaczy, że składowe tworzą złożoną strukturę - czas i przestrzeń może być opisana jedynie jako funkcja składowych współgrających razem, a nie tylko jako suma elementów. Co to oznacza w języku Laika i Tłu... Początkującego Ekslporatora Zagadnień Fizycznych? ;)

Wyobraźmy sobie mózg. Najlepiej nie ślimaka, ponieważ posiada on tylko zwoje mózgowe, między niewieloma innymi takie do wybrania kierunku i lokalizacji pożywienia. Mózg przez duże Mó. Mamy tam neuronów masę (~100 mld, jedni więcej, drudzy mniej), a między nimi zachodzą przeróżne reakcje neurochemiczne. Neurony mają też różne funkcje komórkowe. Ten cały bajzel jakoś hula, bo budzimy się rano (jeszcze pięć minutek ;)), jemy, chodzimy, mówimy, coś robimy, i tak dalej. Ale najpiękniejsza i jednocześnie najbardziej tajemnicza właściwość mózgu to świadomość. I właśnie ona jest właściwością emergentną mózgu. Reakcje i funkcje na poziomie neuronalnym składają się na mózg, jednak opisane składowe nie tłumaczą świadomości. Świadomość swoją złożonością przekracza w dużym stopniu funkcje neuronów, jest rezultatem współgrania ich działania.

Podobnie z czasem i przestrzenią: same składowe - czy to opisana powyżej tkanina rzeczywistości, czy inna struktura - sama w sobie nie tłumaczy istnienia czasoprzestrzeni. Jeśli zejdziemy do poziomu neuronów, pojęcie świadomości traci sens i przestaje właściwie istnieć - tak samo, gdy zejdzie się poniżej skali Plancka, pojęcie czasu i przestrzeni przestaje funkcjonować, załamuje się. Spójrzmy choćby na telewizor. Z pewnej odległości widzimy obraz, przy solidnym walnięciu ręką w bok nawet film, ale gdy przyjrzeć się bliżej - na poziomie piksela - nie widzimy już pożądanego "M jak Miłość" - jedynie składową w postaci bardzo małej cząstki wyświetlanej zawartości, tworzącą jednak wraz z innymi spójną całość.

- Stachu! Zabierz mnie tę lupę sprzed oka bo jakąś kreskę ino widzę! A tu Hanka jedzie i, no, zaraz coś chyba będzie!
- Cicho tam, babo. Badam strukturę czasoprzestrzeni.

Aha, zapraszam na Patronite! To nie takie trudne założyć tam konto i wesprzeć klikanie w klawiaturę! :)

patronite/DiesPhys

Oraz na Facebook fanpage; więcej nas, jest ciaśniej ale weselej! ^_^

fanpage/DiesPhys

#4 Grawiton, czyli brakująca cegiełka w murze fizyki teoretycznej

Bajek było wiele, ale wszystkie chowają się przy tej o grawitonie. Ten ulotny kwant oddziaływania grawitacyjnego spędza sen z powiek wszystkim siwym głowom w CERNie oraz innym, rozsianym po świecie szpecom od warstwy teoretycznej współczesnej fizyki. Jego odkrycie wiązałoby się ze znalezieniem brakującego elementu, który spoiłby teorię względności Einsteina, czyli tego, co opisuje grawitację w skalach kosmologicznych, oraz teorię kwantową, czyli najlepszy opis świata w skalach najmniejszych. Pojawienie się grawitonu na scenie fizycznych odkryć wiązałoby się ze stworzeniem tzw. Kwantowej Teorii Grawitacji - grawitacji, jedynej siły fundamentalnej, która nie została zrozumiana w sposób pełny. Ale po kolei.

1. Grawiton w bajce.

Czerwony kapturek szedł przez las. Paczy, paczy, a pod krzakiem leży grawiton. Hurra! Święty Graal fizyki teoretycznej wystąpił w naszej bajce jako jedna z jagód! Koniec bajki. Czas na fakty ;)

2. Przystawka teoretyczna do grawitonu.

Przynudzałem już o wyższych przestrzennych, ale nie pora, aby rozwijać ten temat. Wystarczy pamiętać, że podobnie, jak poruszający się po linie cyrkowiec widziany z daleka wygląda, jakby kroczył po jednowymiarowej linii, tak samo dodatkowe wymiary mogą być ukryte, gdy patrzymy w nieodpowiedniej skali. Wystarczy przybliżyć naszą kamerę filmującą doniosłe cyrkowe przedstawienie i od razu widać, że lina ma także obwód, czyli wymiary dodatkowe, niewidoczne z daleka. Podobnie z wymiarami czasoprzestrzeni, przy odpowiednim powiększeniu "powinno" dać się zobaczyć jej dodatkowe aspekty.

Idea dodatkowych wymiarów potrzebna mi była do przejścia do kolejnej teorii - cząstek Kaluzy-Kleina. Spokojnie, zaraz dojdziemy do meritum, jednak droga do niego jest jak zwykle zawiła i pokrętna. Nie to, co Kapturzasty, wchodzi do lasu jako dziecko z koszykiem, a wychodzi w glorii chwały fizyka-noblisty. Nie, aż takiego szczęścia nie mamy ;)  Te wszystkie Kaluzy i Kleiny to nic innego jak cząstki, które, rzekomo, istnieją w właśnie w tych dodatkowych przestrzennych wymiarach. Są bliźniaczo podobne do protonów, neutronów, elektronów i reszty całej tej hałastry z ZOO cząstek elementarnych Modelu Standardowego. Kurde! Teraz wiem, dlaczego na bozony można mówić bizony... Ale widział no kto bizona w ZOO? Nieważne. Cząstki Eine-Kleine-Kałuży mają właściwości takie same, jak ich odpowiednicy z szarej czterowymiarowej rzeczywistości z tą różnicą, iż różnią się masą. Odkrycie takich masywnych cząstek w Wielkim Zderzaczu Hadronów (Large Hadron Collider, LHC w skrócie - akcelerator cząstek w CERN w Genewie, ten sam, który dał światu bozon Higgsa, boską cząstkę, kwant pola Higgsa nadającego masę pozostały elementarniakom) sugerowałoby, a właściwie dowodziłoby istnienia dodatkowych wymiarów czasoprzestrzeni. I teraz - enter graviton.

3. Smakowite danie główne.

Grawiton to hipotetyczna cząstka pola grawitacyjnego. Tak samo jak foton jest kwantem, najmniejszą niepodzielną jednostką siły elektromagnetycznej (coś jak piksel na ekranie komputera), tak grawiton miałby być takim właśnie odpowiednikiem dla siły grawitacji. Dziwne, prawda? Siła grawitacji jest najpowszechniej znaną siłą, nawet goryl, gdy podrzuci w górę banana wie, że za chwilę spadnie mu on na głowę! Szympans także wie, że gdy wychyli się za bardzo, spadnie czaszką prosto w mrowisko pod drzewem. Tukan... No dobrze, wszyscy wiemy, że tukany latają, to nie był dobry przykład ;) Ale wszyscy ludzie od niepamiętnych czasów, od malucha do starucha, wiedzą, jak działa grawitacja. Jest intuicyjna i wszechobecna, a jednak... Jako jedyna z fundamentalnych sił przyrody nie ma swojego nośnika! Elektromagnetyzm ma fotony, siły jądrowe słabe (odpowiedzialne za promieniotwórczość i odkryte relatywnie niedawno, oczywiście w porównaniu do grawitacji) są przenoszone przez bozony W i Z, oddziaływanie silne (spajające neutrony i protony w jądrze atomowym) ma swoje gluony (nie glutony! choć w głowie słyszę już te szydercze komentarze ;))... A grawitacja? Einstein opisywał ją jako zakrzywienie czasoprzestrzeni wywołane obecnością masywnego ciała, ale to tyle! Na poziomie cząsteczkowym dla grawitacji nie istnieje nic, poza hipotetycznym wciąż grawitonem.

Wracamy do LHC. Jeśli na narty, to tylko w Alpy, jeśli piwo, to tylko VIP z Biedronki, a jeśli grawiton, to tylko w LHC. Albo Jowisz =] Ale o tym za chwilę. Grawiton, przy wytworzeniu odpowiedniej energii zderzeń protonów, powinien powstać w Zderzaczu, jednak natychmiast "uciekłby" do wyższych, zwiniętych przestrzennych wymiarów, tak przewidują hipotezy. Kolizje zawsze wytwarzają coś na kształt efektu fajerwerków, rozpryskując egzotyczne cząstki różnych mas i rodzajów we wszystkie strony. Grawiton najprawdopodobniej umknąłby wykryciu przez detektor, jednak pozostawiłby swego rodzaju dziurę energetyczną w obrazie zderzenia. Znane są parametry, jakie mógłby pozostawić uciekający do wyższych wymiarów grawiton, jednak w chwili obecnej energie zderzeń są niewystarczające. Albo któryś z fizyków przysnął przy komputerze i cały splendor zgarnął Kapturek... Zatem - na jagody, młodzi fizycy! ;) Podobne metody stosuje się do badania ciemnej materii i cząstek supersymetrycznych, ale o tym nie będę pisał, bo przy grawitonie są one po prostu nudne ;)

4. Do roboty! - czyli - jak go wykryć?

No dopsz. Jakiego zatem detektora potrzebowaliśmy, aby wykryć tego tam, no, grawitona? Grawitona, grawitona, myślę o jakimś śmiesznym wyzwisku na niego, ale nic nie przychodzi mi do głowy. Może czytelnicy wykażą się kreatywnością? Zapraszam do konkursu - Przezywamy Grawiton :) Do detekcji fotonu wystarczy zwykłe ludzkie oko - ono radzi sobie nawet z pojedynczym kwantem elektromagnetyzmu. Zaś detektor, który wytworzyłby wystarczającą energię zderzeń, by wyłuszczyć grawiton z fali śmiecia cząsteczkowego, musiałby mieć rozmiar Jowisza! 10 i 27 zer kilogramów... Dużo, na Jowisza, Peruna, Trygława i Swaroga! Lelum polelum, no dobra, to nie :/ Chwila - to nie wszystko. Detektor ten musiałby poruszać się na orbicie gwiazdy neutronowej - też ciężkie bydlę, opisane w jednym z poprzednich postów. Baaaaardzo ciężkie. Na koniec dobijmy się faktem, że taki detektor wykryłby jeden grawiton raz na sto lat. Dodatkowo, gwiazda neutronowa emituje także neutrina, ultralekkie cząstki bardzo słabo oddziaływujące z materią. Na jeden grawiton przypada 10^33 neutrinów. Neutrin. Neutrinów. Whatever, man, dużo. A gdyby pan chciał se zblokować te neutrina, tarcza antyneutrinowa musiałby mieć grubość kilku lat świetlnych, czyli tak stąd do Alpha Centauri i z powrotem, pi razy drzwi. Spryciarze może chcieliby ją splaszczyć, żeby im się zmieściła między gwiazdę a Jupitera... Tak, proszę, tylko wtedy byłaby tak ciężka, że od razu zapadłaby się do czarnej dziury. Huh! No to o czym ja tu marzę?! O czym marzy ludzkość? Nieeee. Dlatego każdy szanujący się i rozsądny fizyk wybierze raczej kinetykę i ciało stałe ze szkoły średniej niż grawiton. Poza garstką szaleńców, którzy gonią za iluzją... Końkludując, o ile nie mamy w zanadrzu szczwanego planu, tudzież ultrafuturystycznej technologii, nigdy nie wykryjemy grawitonu.

5. Światełko w tunelu.

Tia. Mamy przecież fale grawitacyjne ;)

Otóż fale grawitacyjne, zmarszczki w samej czasoprzestrzeni, odkryte w lutym tego roku w detektorze LIGO, powstałe zderzeniu dwóch czarnych dziur, składają się z grawitonów! Tak samo, jak fale elektromagnetyczne (światło z żarówki, latarki pana, który szuka w nocy robaków w ziemi na jutrzejsze rybobranie) składają się z fotonów, fale grawitacyjne składają się z grawitonów. Z dużej ilości grawitonów. W jednym centymetrze sześciennym powinno ich być około 10^15. Jednak to i tak gruszki na wierzbie, bo nadal, o ile nie wynajdziemy jakiegoś genialnego sposobu, wykrycie kwantów grawitacji z ich fal pozostaje poza zasięgiem obecnej technologii.

6. Teoria Grawitacji Kwantowej.

Teoria ta unifikuje mechanikę kwantową oraz teorię względności, duże i wielkie skale.  Nie są jednak one kompatybilne matematycznie, są niespójne, zatem obie nie mogą być poprawne. Dlatego uważa się, że potrzebna jest teoria grawitacji kwantowej, która niejako "pogodzi" obie ważne dla ludzkości teorie. Nie jest ona jeszcze gotowa, ale mamy wiele wskazówek, jak powinna wyglądać. Co z tego? To, że jeśli sformułujemy teorię kwantowej grawitacji, będziemy pewni, że grawiton istnieje. No jak to?! A co z tym całym Jowiszem, gwiazdą neutronową - na śmietnik? Tyle dolarów, tyle sałaty, i wszystko jak krew w piach?! Otóż sprawa ma się podobnie jak z elektrodynamiką kwantową. Teoria ta wysnuła przewidywania istnienia skwantowanego pola elektromagnetycznego i fotonów. Następnie, wdrożono tę teorię eksperymentalnie i dowiedziono kwantyzacji pola. Podobnie będzie z teorią kwantowej grawitacji. Gdy już ją panowie fizycy opracują, będzie można potwierdzić istnienie grawitonu w sposób pośredni. Taka jest koncepcja. I jest ona słuszna, ta koncepcja ;)

7. Pomarzyć zawsze można...

Można, można. Ale skoro nie możemy go wykryć, możemy go przynajmniej wyśmiać. Powytykać palcami. Poprzezywać :) Zatem - czas na czytelniczy konkurs pt. "Przezywamy Grawiton" :) Jako przykład podaję słynny już bozon - bizon. Do dzieła! Nagrodą jest oczywiście smakowita zawartość koszyka Czerwonego Kapturka ;)

Aha, zapraszam na Patronite! To nie takie trudne założyć tam konto i wesprzeć klikanie w klawiaturę! :)

patronite/DiesPhys

Oraz na Facebook fanpage; więcej nas, jest ciaśniej ale weselej! ^_^

fanpage/DiesPhys