Grawitacja a ciemna energia

Maciej Jan Pike-Bie­guń­ski, współ­pra­cow­nik NŚ, zna­ny Pań­stwu z kil­ku cie­ka­wych publi­ka­cji, to eme­ry­to­wa­ny fizyk, któ­ry więk­szość życia zawo­do­we­go spę­dził w USA pro­wa­dząc tam pra­ce badaw­cze i doko­nu­jąc odkryć. Jego żywy, wciąż poszu­ku­ją­cy umysł nie­ustan­nie przy­glą­da się róż­nym kon­cep­cjom ze sfe­ry nauki, budu­jąc wła­sne. Zwy­kle są one nader śmia­łe, cza­sem kon­tro­wer­syj­ne. Z oglą­du laika wyda­ją się inte­re­su­ją­ce, pobu­dza­jąc do reflek­sji róż­nej natury.

Cie­ka­wi jeste­śmy jak oce­nia­ją to Pań­stwo, zwłasz­cza oso­by posia­da­ją­ce odpo­wied­nią bazę w dzie­dzi­nach wie­dzy, o któ­re zaha­cza kon­cep­cja M. Pike-Bie­guń­skie­go w zakre­sie rela­cji pomię­dzy gra­wi­ta­cją a ciem­ną ener­gią. Oddaj­my mu głos.

PRZECZYTAJ TAKŻE

Gdy polityka i biznes wchodzą z butami do zdrowia oraz swobód obywatelskich – dokończenie

Gdy polityka i biznes wchodzą z butami do zdrowia oraz swobód obywatelskich

Anna Ostrzyc­ka

Grawitacja a ciemna energia

Gra­wi­ta­cja to fun­da­men­tal­ne zja­wi­sko we Wszech­świe­cie. Mimo to więk­szość z nas nie zda­je sobie spra­wy z tego, iż bez niej nie mogło­by powstać życie na Zie­mi. Istot­nie każ­dy bowiem obiekt, jaki wyko­nał­by nawet naj­mniej­szy ruch, poszy­bo­wał­by w bez­kres kosmo­su. Podob­ny los spo­tkał­by paru­ją­cą wodę oce­anów, rzek i jezior. W nie­obec­no­ści gra­wi­ta­cji Zie­mia nie obra­ca­ła­by się wokół Słoń­ca, lecz wędro­wa­ła w bez­kre­snej, ciem­nej i tra­gicz­nie zim­nej prze­strze­ni kosmicz­nej. Uwa­ga, jaką kie­ru­je­my w stro­nę zja­wi­ska gra­wi­ta­cji, posia­da więc głę­bo­kie uza­sad­nie­nie. To nadal jed­na z zaga­dek nasze­go Nie­zna­ne­go Świa­ta.

Tym­cza­sem współ­cze­sna nauka temat gra­wi­ta­cji uwa­ża za dobrze pozna­ny roz­dział fizy­ki i astro­fi­zy­ki. Na prze­ciw­le­głym bie­gu­nie zain­te­re­so­wań nauki znaj­du­ją się ciem­na ener­gia oraz ciem­na mate­ria, byty sta­no­wią­ce enig­mę. Jak dotąd nie prze­pro­wa­dzo­no eks­pe­ry­men­tu potwier­dza­ją­ce­go ich istnienie.

Wróćmy jednak do grawitacji.

Pierw­sze nauko­we jej rozu­mie­nie zawdzię­cza­my genial­ne­mu umy­sło­wi Angli­ka, Iza­aka New­to­na (1642 – 1727). Dopie­ro po trzech wie­kach inny geniusz nauki Albert Ein­ste­in (1879 – 1955) posze­rzył rozu­mie­nie zja­wi­ska gra­wi­ta­cji, nada­jąc mu spe­cy­ficz­ny, geo­me­trycz­ny cha­rak­ter. Jak dotąd nie wią­za­no jed­nak gra­wi­ta­cji z ciem­ną ener­gią i ciem­ną mate­rią.

Zanim do tej kwe­stii przej­dzie­my, musi­my przy­po­mnieć cie­ka­wą i zara­zem pod­sta­wo­wą wła­ści­wość ener­gii. Otóż w swo­ich roz­licz­nych for­mach sta­le roz­cho­dzi się w prze­strze­ni. Pro­stym przy­kła­dem słu­ży ener­gia pro­mie­ni­sta zawie­szo­nej nad sto­łem żarów­ki. Jeśli umie­ści­my ją na dwóch róż­nych wyso­ko­ściach, spo­strze­że­my, iż wraz z odda­la­niem żarów­ki w stro­nę sufi­tu male­je oświe­tle­nie sto­łu. Pomia­ry poka­zu­ją, iż takie pociem­nie­nie rośnie nie z odle­gło­ścią, lecz jej kwa­dra­tem.

Ozna­cza to, iż oświe­tle­nie sto­łu przez żarów­kę zawie­szo­ną na wyso­ko­ści dwóch metrów nad nim zmniej­sza oświe­tle­nie obiek­tu czte­ro­krot­nie w sto­sun­ku do oświe­tle­nia z wyso­ko­ści jed­ne­go metra. Wska­za­na tutaj wła­ści­wość ener­gii jest wła­ści­wo­ścią ogól­ną, dale­ko się­ga­ją­cą poza przed­sta­wio­ny przy­kład. Gdy­by np. Zie­mia zbli­ży­ła się do Słoń­ca o poło­wę dzi­siej­szej odle­gło­ści, tem­pe­ra­tu­ry na jej powierzch­ni zamiast o 25–30° C wzro­sły­by do 100- 120° wyklu­cza­jąc prak­tycz­nie ziem­skie życie.

Wracając do grawitacji nie dostrzegamy, by jej energia posiadała charakter promienisty.

W bar­dzo zaawan­so­wa­nych doświad­cze­niach ostat­nich lat wykry­to falo­wą natu­rę gra­wi­ta­cji. Jed­nak w życiu codzien­nym nie ma to dla nas więk­sze­go zna­cze­nia. Kie­dy opusz­cza­my mury szkol­ne, zazwy­czaj zapo­mi­na­my, iż gra­wi­ta­cja towa­rzy­szy nam na co dzień. Pro­po­nu­ję pewien cie­ka­wy nauko­wy eks­pe­ry­ment, jaki daje się zre­ali­zo­wać w naszym tech­no­lo­gicz­nym świe­cie. W tym celu kon­stru­uje­my parę bar­dzo lek­kich, lecz jed­no­cze­śnie moc­nych sań, o pło­zach wyko­na­nych ze spe­cjal­nej mie­sza­ni­ny teflo­nu i srebra.

Na takich saniach, poru­sza­ją­cych się po tafli lodu bez tar­cia, umiesz­cza­my dwie potęż­ne oło­wia­ne kule o masie 10 ton każ­da. Sanie usta­wia­my w nie­wiel­kiej odle­gło­ści kil­ku cen­ty­me­trów od sie­bie, w jed­nej linii. Obser­wu­je­my, iż zaczy­na­ją się bar­dzo powo­li zbli­żać do sie­bie. Siłą jaka poru­sza je jest gra­wi­ta­cja. W przy­ro­dzie siła gra­wi­ta­cyj­ne­go przy­cią­ga­nia obej­mu­je dosłow­nie wszyst­ko, nawet świa­tło. Astro­no­micz­ne obser­wa­cje dowio­dły, że świa­tło prze­bie­ga­ją­ce w kosmo­sie w pobli­żu masyw­nych gwiazd, pod wpły­wem dzia­ła­ją­cej na nie gra­wi­ta­cji, zmie­nia kie­ru­nek. Taka gra­wi­ta­cja „wygi­na­ją­ca świa­tło” sta­no­wi znacz­ne utrud­nie­nie astro­fi­zycz­nych obserwacji.

Siła ciężkości i matematyczne wyliczenia

Na szcze­gól­ną uwa­gę zasłu­gu­je to, że siła gra­wi­ta­cji ze stro­ny masyw­ne­go cia­ła M dzia­ła na nie­wiel­kie cia­ło o masie m z siłą rów­ną tej, z jaką owe nie­wiel­kie cia­ło m dzia­ła na M. Porów­naj­my to z sytu­acją na bok­ser­skim rin­gu, na któ­rym bok­ser wagi muszej wymie­nia rów­ne cio­sy z golia­tem wagi super­cięż­kiej. Takie dra­ma­tycz­ne zesta­wie­nie sta­no­wi argu­ment co do nie­zwy­kło­ści tego czym jest gra­wi­ta­cja.

W warun­kach ziem­skich gra­wi­ta­cja utoż­sa­mia­na jest ze zja­wi­skiem cią­że­nia. Na Zie­mi wszel­kie nie­pod­par­te lub nie­za­wie­szo­ne przed­mio­ty spa­da­ją. Jed­nak gra­wi­ta­cję cechu­ją nie jed­na, lecz dwie skła­do­we wytwa­rza­nej przez nią siły. To z kolei powo­du­je, że upusz­czo­ny przez naszą nie­uwa­gę talerz, spa­da­jąc wywo­łu­je pod­skok Zie­mi w kie­run­ku spa­da­ją­ce­go przed­mio­tu. Nie czu­je­my tego, gdyż nasza masyw­na pla­ne­ta reagu­je na ruch upa­da­ją­ce­go obiek­tu w odpo­wied­niej do obu mas pro­por­cji. Przy­po­mnij­my, że siła ta nada­je tym mniej­sze przy­spie­sze­nie im więk­sza jest masa, na któ­rą ona dzia­ła. Masa tale­rza jest zni­ko­ma w porów­na­niu z masą Ziemi.

Wróćmy jednak do energii.

Czę­stym jej prze­ja­wem jest pro­mie­nio­wa­nie elek­tro­ma­gne­tycz­ne, ciepl­ne, widzial­ne, nie­wi­dzial­ne, radio­we czy pro­mie­nio­wa­nie X. Pro­mie­niu­ją zarów­no nasze cia­ła, jak nasze Słoń­ce, któ­re od ponad 4.5 miliar­da lat wysy­ła w kosmos nie­wy­obra­żal­nie wiel­kie ilo­ści ener­gii. Nie jest to jed­nak, jak dotąd sądzo­no, zwią­za­ne z gra­wi­ta­cją. Tym­cza­sem moje bada­nia sta­wia­ją taki wnio­sek pod zna­kiem zapytania.

Ale zanim przej­dzie­my do tego fra­pu­ją­ce­go tema­tu, zauważ­my, iż mate­ma­tycz­nie o gra­wi­ta­cji moż­na już nauczać dzie­się­cio­lat­ków. Taki wnio­sek sta­wiam jako daw­ny nauczy­ciel fizy­ki, a wyni­ka on z pro­ste­go zasto­so­wa­nia tu mate­ma­ty­ki. Wyra­że­nie na siłę gra­wi­ta­cji pomię­dzy masa­mi M i m, pozo­sta­ją­cy­mi we wza­jem­nej odle­gło­ści r, to M x m / r x r . Zwy­kłe dzie­le­nie i mno­że­nie. Mno­ży­my bowiem masy obu ciał M oraz m, dzie­ląc wynik przez ilo­czyn r razy r. Siłę więc gra­wi­ta­cji Słoń­ca i Zie­mi otrzy­mu­je­my mno­żąc ich zna­ne z astro­no­mii masy, a wynik ten dzie­li­my przez kwa­drat ich odle­gło­ści. Przy­po­mnę, że masa Słoń­ca to w zaokrą­gle­niu 2 x 10 x 10 kilo­gra­ma x …. mno­żo­ne 30 razy. Masa Zie­mi jest 333.000 razy mniejsza.

Odległość wzajemna obu tych ciał niebieskich to 150 milionów kilometrów.

Wyko­nu­jąc hob­by­stycz­ne obli­cze­nia, nale­ży pamię­tać o jed­nost­kach oraz uwzględ­nić tak zwa­ną sta­łą gra­wi­ta­cyj­ną. Sta­ra­jąc się o nie­utrud­nia­nie wywo­du, pomi­jam w nim dal­szą ana­li­zę mate­ma­tycz­ną. Zauważ­my jed­nak, iż znacz­nie lżej­szy od Zie­mi Księ­życ wytwa­rza na swo­jej powierzch­ni siłę cięż­ko­ści ponad 6 razy mniej­szą od ziem­skiej. Na poka­za­nym swe­go cza­su w tele­wi­zji nagra­niu z Księ­ży­ca kosmo­nau­ci zamiast kro­ków wyko­nu­ją zabaw­ne pod­sko­ki. Księ­życ daje jed­nak znać o sobie poru­sza­jąc ogrom­ne masy ziem­skich wód oce­anicz­nych. To przy­pły­wy i odpły­wy. Gdy­by oce­any ist­nia­ły na Księ­ży­cu, przy­pły­wy i odpły­wy – pod dzia­ła­niem ziem­skiej gra­wi­ta­cji – były­by tam kata­stro­fal­nie ogrom­ne, a ich fale, zamiast metra czy dwóch, mia­ły­by 6 do 12 metrów wysokości.

Gwał­tow­ny roz­wój astro­fi­zy­ki, dzia­łu nauki jaki wyło­nił się w ostat­nich deka­dach, pobu­dził nowe zain­te­re­so­wa­nie nauki grawitacją.

Ucieczka galaktyk

Uzna­no, iż gra­wi­ta­cja jest fun­da­men­tal­nym czyn­ni­kiem zapew­nia­ją­cym sta­bil­ność kosmo­su. Jed­no­cze­śnie pew­ne wcze­śniej­sze odkry­cia wska­zy­wa­ły na zja­wi­sko roz­sze­rza­nia się Wszech­świa­ta. To od począt­ku wywo­ły­wa­ło nauko­wy nie­po­kój. Zauwa­ża­my bowiem, że gra­wi­ta­cja powin­na być siłą sca­la­ją­cą mate­rię (podob­nie jak dzie­je się to w doświad­cze­niu z dwie­ma kula­mi na saniach). Jak pamię­ta­my gra­wi­ta­cja zbli­ża je ku sobie a nie oddala.

Co więc mia­ło­by powo­do­wać uciecz­kę odda­la­ją­cych się od sie­bie galak­tyk? Zja­wi­sko to odkry­to jesz­cze w XX wie­ku. Wie­le bar­dzo skom­pli­ko­wa­nych badań, pro­wa­dzo­nych za pomo­cą tele­sko­pów, wska­zu­je na przy­śpie­sza­ją­cą uciecz­kę odle­głych gwiezd­nych mas mate­rii. Nie zna­my dzi­siaj odpo­wie­dzi dla­cze­go tak się dzie­je. Ale sama gra­wi­ta­cja, niby dobrze pozna­na, wywo­łu­je poważ­ne nauko­we nie­do­po­wie­dze­nia. Tym gorzej, że zamiast poszu­ki­wa­nia jej mecha­ni­zmów w fizy­ce, zle­ca się to mate­ma­ty­ce.

A ona, jako nauka logiczna, zawierza swoje konsekwencje aksjomatom, a więc w pewnym sensie wierzeniom.

Fizy­ka, mimo iż pod­le­ga mate­ma­tycz­nej sys­te­ma­ty­za­cji, jed­nak opi­su­je Wszech­świat, w spo­sób nie wyni­ka­ją­cy z wie­rzeń lecz z fak­tów. Mate­ma­ty­ka w odróż­nie­niu od fizy­ki nie ule­ga spraw­dze­niu przez eks­pe­ry­men­to­wa­nie. Nasze podej­ście do mate­ma­ty­ki obec­nej w fizy­ce powo­du­je podejrz­li­wość. W dzie­dzi­nie gra­wi­ta­cji brak takiej podejrz­li­wo­ści i wraż­li­wo­ści daje się odczuć w trak­to­wa­niu fun­da­men­tal­ne­go tutaj New­to­now­skie­go patrze­nia na siłę grawitacji.

Teo­re­ty­cy gło­szą, że: Siła gra­wi­ta­cji pomię­dzy dwo­ma cia­ła­mi o masach odpo­wied­nio M oraz m, jest wprost pro­por­cjo­nal­na do ilo­czy­nu tych mas i odwrot­nie pro­por­cjo­nal­na do kwa­dra­tu ich wza­jem­nej odle­gło­ści (siła = M x m/ r x r). Jako kry­tycz­nie nasta­wio­ny autor postrze­gam ten zapis zgo­ła odmien­nie: wg mnie siła gra­wi­ta­cji to nie Mm/rr, a M/r x m/r. Mate­ma­tycz­nie oba zapi­sy są iden­tycz­ne, ale z punk­tu widze­nia fizy­ki wza­jem­nie odle­głe o nie­skoń­czo­ność. W uję­ciu dru­gie­go spo­so­bu patrze­nia na gra­wi­ta­cję, nawo­łu­ję fizy­ków do rewi­zji dotych­cza­so­wych poglądów.

Nie dodają się, lecz mnożą

Mój autor­ski zapis Pra­wa New­to­na uza­leż­nia postać Pra­wa Gra­wi­ta­cji od dwu nie­za­leż­nych wza­jem­nie czło­nów: M/r oraz m/r. Istot­nie bowiem wyra­że­nie M/r doty­czy pierw­szej z mas, przy­kła­do­wo Słoń­ca, pod­czas gdy wyra­że­nie m/r – masy Zie­mi. W takiej posta­ci każ­da z mas wytwa­rza dzia­ła­nie wła­sne, któ­re napo­ty­ka na dru­gą z mas. Powie­my więc, że dzia­ła­nie masy M Słoń­ca wędru­je napo­ty­ka­jąc masę m Zie­mi. Nie koniec na tym, gdyż dzia­ła­nie masy Zie­mi m wędru­je napo­ty­ka­jąc masę Słoń­ca M. Oba te dzia­ła­nia nie doda­ją się lecz mno­żą. To tak­że zagadka.

Porów­naj­my to z inny­mi sytu­acja­mi. Kie­dy np. dwa konie bie­gną w zaprzę­gu, ich siły się doda­ją a nie mno­żą. Jeśli dwie żarów­ki oświe­tla­ją stół, ich ener­gia tak­że doda­je się a nie mno­ży. Poszu­ku­jąc logicz­ne­go wyja­śnie­nia tej zagad­ki docho­dzę do wnio­sku, iż gra­wi­ta­cja posia­da bez­po­śred­ni zwią­zek z ciem­ną ener­gią. Pomysł jej ist­nie­nia funk­cjo­nu­je w fizy­ce już od kil­ku dekad. W niniej­szym spo­so­bie myśle­nia wią­że­my wyra­że­nie m/r z ciem­ną ener­gią, wysy­ła­ną przez cia­ło o masie m w kie­run­ku cia­ła M i odwrot­nie. Przy­po­mnij­my eks­pe­ry­ment z sania­mi. Gra­wi­ta­cja nie­ja­ko jed­no­czy obie oło­wia­ne kule.

Odtąd powstaje nowe ciało o masie M + m.

Taki nowy twór wytwa­rza odtąd wła­sny stru­mień ciem­nej ener­gii. Obser­wa­cje kosmo­su dowo­dzą, iż ciem­na ener­gia jest czymś dale­ce odmien­nym od zwy­kłej ener­gii. Każ­de cia­ło, jakie mamy pra­wo nazy­wać gra­wi­ta­cyj­nym, wytwa­rza wokół sie­bie sta­ły stru­mień ciem­nej ener­gii nicze­go jed­nak samo na tym nie tra­cąc. Ta uwa­ga kon­fron­tu­je wnio­sek odno­szą­cy się do falo­wej natu­ry gra­wi­ta­cji, któ­ra musia­ła­by pomniej­szać masę gwiazd, cze­go jak dotąd nie zauwa­żo­no, czyż nie? Słoń­ce, podob­nie jak inne gwiaz­dy, pro­mie­niu­je zwy­kłą ener­gię, co zmniej­sza jego masę, ale wysy­ła­jąc w kosmos stru­mień ciem­nej ener­gii, nie dozna­je ono uszczerb­ku na masie. Sytu­acja ta zmie­nia się jed­nak, kie­dy stru­mień ciem­nej ener­gii, pocho­dzą­cy od masy M, napo­ty­ka na stru­mień ciem­nej ener­gii wysy­ła­ny przez cia­ło o masie m. Wte­dy to poja­wia się siła grawitacji.

Ciemne porozumienie

Osa­mot­nio­ne w kosmo­sie cia­ła (?), a raczej bar­dzo od sie­bie odle­głe, nie wytwa­rza­ją siły gra­wi­ta­cji, gdyż dla jej powsta­nia potrzeb­ne jest wza­jem­ne czar­ne poro­zu­mie­nie… Zasko­cze­niem dla fizy­ków będzie też jesz­cze inna moja autor­ska kon­te­sta­cja, a mia­no­wi­cie, że suma mas M i m wza­jem­nie odda­lo­nych, nie jest rów­na sumie tych mas wzię­tych razem. W takim uję­ciu powie­my, że cię­żar dwóch ludzi mie­rzo­ny osob­no nie jest rów­ny ich cię­ża­ro­wi, kie­dy sta­ją oni na wadze razem.

Różnica obu wyników ważenia to efekt działania ciemnej energii.

Ta ostat­nia uwa­ga doma­ga się wery­fi­ka­cji poprzez nauko­wy eks­pe­ry­ment. Potwier­dze­nie jej słusz­no­ści sta­no­wi­ło­by milo­wy krok na dro­dze do lep­sze­go zro­zu­mie­nia gra­wi­ta­cji i fizy­ki w ogó­le. Niniej­sze roz­wa­ża­nia, odno­szą­ce się do zagad­nień gra­wi­ta­cji, nie pozo­sta­ją też bez wpły­wu na wnio­sko­wa­nie w spra­wie wyda­rzeń, jakie roz­gry­wa­ły się 13,6 miliar­da lat temu, a więc Wiel­kie­go Wybu­chu, z angiel­ska Big Ban­gu. Nie mogła go wywo­łać gra­wi­ta­cja. Gra­wi­ta­cja to dzia­ła­nie sca­la­ją­ce, pod­czas gdy Wiel­ki Wybuch musia­ła spo­wo­do­wać przy­czy­na roz­pra­sza­ją­ca (weź­my na przy­kład eks­plo­zję granatu).

Wybuch gra­na­tu ilu­stru­je to, co dzie­je się pod­czas wybu­chu. W mojej opi­nii przy­czy­na wybu­chu mate­rii tkwi­ła nie w sfe­rze gra­wi­ta­cji, lecz sfe­rze elek­trycz­no­ści. Tutaj to pod­sta­wy wie­dzy o elek­trycz­no­ści wywo­dzi­my od Char­le­sa Augu­sty­na De Coulom­ba (1736 – 1806). Spo­glą­da­jąc na jego pra­cę nie bez zasko­cze­nia zauwa­ży­my, iż siły o natu­rze elek­trycz­nej mają mate­ma­tycz­ną postać iden­tycz­ną z posta­cią new­to­now­skiej siły gra­wi­ta­cji. Róż­ni­ca tkwi w tym, iż siły gra­wi­ta­cyj­ne są zawsze dodat­nie, pod­czas gdy siły oddzia­ły­wań elek­trycz­nych mogą być przy­cią­ga­ją­ce, jak i odpy­cha­ją­ce. Ładun­ki elek­trycz­ne mogą posia­dać zarów­no znak plus jak też minus. Wyobraź­my sobie pre­hi­sto­rycz­ną mie­sza­ni­nę mate­rii, zbu­do­wa­nej z czą­ste­czek mają­cych zarów­no masę jej i ładu­nek elek­trycz­ny. Pod­czas gdy gra­wi­ta­cja ści­ska taką mate­rię, elek­trycz­ność ją roz­py­cha. Wiel­ki Wybuch ozna­cza, iż zwy­cię­ży­ła siła elek­trycz­ne­go odpy­cha­nia. Bar­dziej dokład­na ana­li­za tej sytu­acji wykra­cza jed­nak poza ramy popu­lar­ne­go uję­cia tema­tu gra­wi­ta­cji. Nasz Nie­zna­ny Świat i my sami jeste­śmy dzieć­mi tam­tych wydarzeń.

Maciej Jan Pike-Bie­gun­ski – kon­takt: tel. 22 782 77 17, e‑mail: maciejpb37@​hotmail.​com,
Questions and com­ments in Polish, English or Rus­sian lan­gu­ages are welco­med at:
Opi­nie moż­na też kie­ro­wać na e‑mail: naczelna@​niezany.​pl