Niewiadome fizyki
Fizyka bardzo się rozwinęła w XX wieku, ale nadal nie wyjaśniono zasadniczych zagadnień. To śmieszne, ale końcem XIX wieku fizycy uważali, że już prawie wszystko wiadomo o materialnym świecie. Potem, w XX wieku, nastąpił milowy krok, a w sumie to 2 milowe kroki. Powstały dwie gigantyczne teorie: GRAWITACJI I KWANTOWA.
Paradoksalnie, przez fakt, że dowiedzieliśmy się i zrozumieliśmy tak wiele, odkryliśmy tym samym jak mało wiemy i jak wiele jeszcze zagadek stoi przez ludzkością. Czego nie wiadomo? Jest takich 7 KWESTII, które są zupełnie, albo prawie zupełnie niejasne. Kolejność wymieniania nie ma znaczenia, ale zacząć należy od…
Dlaczego istnieją 4 WYMIARY czasoprzestrzeni? To zagadnienie fundamentalnej struktury wszechświata. Niewiele i prawie nic nie widomo na ten temat.
Nic, albo prawie nic, nie wiadomo o CIEMNEJ ENERGII i CIEMNEJ MATERII. Istnieją tylko hipotezy, nawet liczne, ale nie przekroczono jeszcze progu rozumienia. A chodzi o prawie 90% składu, budulca wszechświata.
Dlaczego istnieje czas, który się różni CZYMŚ od przestrzeni? Matematycznie bowiem czas nie różni się od przestrzeni. Jest w sumie tym samym, ale jednak „czymś” się różni, ale nie wiadomo czym.
Dlaczego kwant działania - STAŁA PLANCKA - wynosi tyle, ile wynosi? Jest to dość dziwna liczba h: 6,62607004081(81) x 1034 J*s. Nic na ten temat tej liczby nie wiadomo. Może są jakieś mgliste poszlaki…
Dlaczego, tuż po wielkim wybuchu, nastąpiło POCZĄTKOWE złamanie symetrii materii i antymaterii? Nie wiadomo na ten temat w zasadzie nic. To mogłoby wyjaśnić, dlaczego powstał wszechświat.
Dlaczego istnieją TAKIE, a nie inne cząstki elementarne? To wszak budulec wszechświata. W zasadzie, nikt nic nie wie na ten temat.
Czy istnieje KWANTOWA GRAWITACJA? W zasadzie niewiele wiadomo na ten temat. To jest bodaj najbardziej frapująca sprawa. Istnieje intuicja naukowców, że dzięki temu odkryciu można dowiedzieć się o innych niewiadomych fizyki.
Jak widać jest sporo do odkrycia. Nagrody Nobla czekają na odkrywców. W zasadzie śmiało można założyć, że wyjaśnienie każdej z zagadek zmieni PARADYGMAT nauki. Będzie tak, jak z odkryciem teorii grawitacji przez Alberta Einsteina, która zmieniła rozumienie świata i zastąpiła poczciwą teorię Newtona.
Należy przyjrzeć się dokładniej jednej z przedstawianych zagadek – KWANTOWEJ GRAWITACJI. Chodzi głównie o NIEKOMPATYBILNOŚĆ teorii względności z mechaniką kwantową.
Trzeba wyjść od tego, że teoria względności jest nadal … teorią PRZYBLIŻONĄ. Teoria kwantowa natomiast nadal nie jest JASNA i także przybliżona.
Teoria kwantowej grawitacji, to próba połączenia tych dwóch teorii. Ale już na wstępie nie wiadomo, czy taka teoria będzie miała CECHY KWANTOWE. Istnieją 2 zasadnicze problemy…
PIERWSZY PROBLEM polega na tym, że teoria kwantowa dopuszcza, że obiekty (cząstki) znajdują się w wielu miejscach jednocześnie (kwantowa superpozycja). Co to miałoby powodować, że źródło pola grawitacji jest w SUPERPOZYCJI? Czyli, jeżeli obiekt jest w wielu miejscach naraz, to zakrzywienie czasoprzestrzeni byłoby w wielu miejscach naraz? I jak opisywać wówczas kwantowo czasoprzestrzeń? O tym, aż trudno pomyśleć. Grawitacja jako statystyczna funkcja falowa? Co się stanie, choćby ze świętą zasadą zachowania energii? Powstanie jakichś horror fizyczny.
DRUGI PROBLEM, jest związany z CZARNĄ DZIURĄ. Otóż, w środku czarnej dziury znajduje się PUNKT, który nazywany jest OSOBLIWOŚCIĄ. Teoria względności mówi, że jest to punkt NIESKOŃCZENIE MAŁY. Wokół tego punktu są nieskończone krzywizny i wszystko jest nieskończone. A jeżeli coś w fizyce jest nieskończone, to oznacza najczęściej DEFEKT teorii.
Teoria kwantowa mówi, że nic nie może być w punkcie, wszystko jest rozmyte, falowe, statystyczne. Ten nieskończenie mały punkt czarnej dziury nie przystaje do zasady NIEOZNACZONOŚCI Heisenberga.
Inną niewiadomą związaną z czarnymi dziurami, to istnienie PIERWOTNYCH czarnych dziur i czy one mają coś wspólnego z początkami wszechświata? Gęstość czarnej dziury jest podobno jest zbliżona do gęstości Plancka, czyli tej tuż po wybuchu, a są to wielkości niesamowite, odpowiadające gęstości 1023 mas słońca ściśniętych do …objętości jądra atomu. Przy takiej gęstości własności materii nie opisuje żadna teoria, wszystko się załamuje i podobno podlega UNIFIKACJI. Ale jaka to już unifikacja, to także nie wiadomo.
Teoria względności działa dobrze w MAKROSKALI. Natomiast teoria kwantowa działa dobrze w MIKROSKALI. Ale są "jakby" sprzeczne ze sobą. Gdy jedna działa, druga się załamuje i odwrotnie. Jest tylko hipotetyczne WYOBRAŻENIE, że istnieje teoria łącząca te obydwie wielkie teorie.
Powstała KWANTOWA TEORIA POLA, która próbuje łączyć te dwie wielkie teorie mikro i makro, ale temu połączeniu daleko do doskonałości. Te teorie jakoś „się widzą”, ale nie wiadomo jak to robią. Podobno jedna teoria jest prostsza i w tym sensie bardziej fundamentalna. Chodzi o teorię względności.
Mechanikę kwantową można jakoś wydedukować ze szczelnej teorii względności, a nawet z zasady względności Galileusza. Chodzi tylko o zdefiniowanie prędkości, kwestii: czy granicą prędkości jest prędkość światła. Ale wtedy pojawiają się dość skomplikowane obliczenia matematyczne. To jest ponad prostą wyobraźnią dyletanta.
A może nie istnieje TEORIA KWANTOWEJ GRAWITACJI? A może trzeba jeszcze zupełnie inaczej do tego podejść? Potrzebna jest szersza teoria, która uwzględni i połączy jakoś te dotąd odkryte. Może zatem istnieje jakaś bardziej fundamentalna teoria, która powiąże grawitacje z kwantami? Musiałaby upraszczać się do jednaj albo drugiej, oczywiście w jakiejś granicy.
Określenie „grawitacja kwantowa” jest w sumie niewłaściwe. Czy trzeba kwantować grawitację? A może należy odwrotnie, „grawitować” efekty kwantowe? Ta nadrzędna teoria może być również modyfikacją jednej albo drugiej teorii. Nie wiadomo, jak jest i będzie. Obecny opis fizycznego świata nie jest ostateczny, to tylko jakieś niedoskonałe przybliżenie.
Można się pokusić o dywagację na temat założeń dla takiej UNIFIKACJI. Należy także założyć wstępnie, że taka unifikacja nie jest możliwa. Ale, po prawdzie, trudno postawić takie założenia wstępne, ponieważ ich postawienie określiłoby ową unifikację, a to prowadzi do regresji. Założenia będą bowiem znane, gdy unifikacja zostanie dokonana. Teraz to można jedynie stawiać hazardowe hipotezy. Trudność polega na tym, że te dwie teorie fizyczne posługują się różnymi strukturami matematycznymi. Nie rysuje się żaden prosty ani inny sposób na ich połączenie. Na tym polega kluczowy problem, czyli znowu jest matematyka. Podejmowane są próby, które można podzielić na dwie tendencje. Chodzi o punkt wyjścia, czyli która teoria ma bardziej zasadnicze znaczenie. Jeżeli mechanika kwantowa, to należy kwantować grawitację. A jeżeli prymarna jest teoria względności, to należy relatywizować i geometryzować teorię kwantów.
Trzeba podać przykłady tych tendencji. Pierwsze podejście – kwantowania grawitacji – to TEORIA STRUN. Tutaj cząstki kwantowe i pola to takie drgające pręciki, niby struny. A niektóre struny – SUPERSTRUNY – przenoszą grawitację i są tak zwanymi grawitonami. Amplituda drgań grawitonu równa się zero. To już samo w sobie jest jakimś paradoksem, który trudno pojąć. Grawitony to KWANTY pola grawitacyjnego. Na tym obszarze dominują fizycy matematyczni.
Drugie podejście – geometryzowania kwantów – to teorie GEOMETRII NIEPRZEMIENNEJ i PĘTLOWEJ GRAWITACJI. Tutaj geometria teorii względności jest punktem wyjścia i ukwantowienie grawitacji. W tym polu większą aktywność wykazują matematycy.
Istnieje także metoda pośrednia, łącząca te dwa podejścia. Ona też nie ma takiego maksymalistycznego charakteru, że oto dokonane zostanie spektakularne połączenie: względności i kwantów. Tutaj szuka się metody pośredniej, czyli jakiegoś „zwornika”, który doprowadzi do pełnej unifikacji dwóch teorii. Nazwa jest trochę rozbudowana i nieprzyjazna: KWANTOWA TEORIA POLA NA ZAKRZYWIONYCH CZASOPRZESTRZENIACH. Skrajnie upraszczając, punktem wyjścia jest mechanika kwantowa. Zaczyna się zatem od jej kwantowej teorii pola. Ta w wersji kanonicznej rozgrywa się na płaskim polu, bez zakrzywień czasoprzestrzeni, bez oddziaływań grawitacji. Nie zmierza się do stworzenie równań „grawitacji kwantowej”, ale próbuje się, aby ta kwantowa teoria pola rozgrywała się na zakrzywionej czasoprzestrzeni, choćby trochę. Sama czasoprzestrzeń nie jest kwantowa, ale nie jest już płaska. Można teraz obserwować, co czyni zakrzywienie czasoprzestrzeni z polami kwantowymi. To jest na razie obserwacja. No i teraz pojawić się mogą CZARNE DZIURY. A nawet pojawiło się odkrycie Stevena Hawkinga o PAROWANIU czarnych dziur. To dało mu wielka sławę, ale takich odkryć, efektów oddziaływań nie ma wiele i ciągle się je bada. To może kiedyś doprowadzić także do pełnej unifikacji dwóch teorii.
Metody pośrednie są niby skromne, ale mogą okazać się skuteczne. Od strony teorii względności także próbuje się lekko i skromnie atakować unifikację. Tutaj trzeba z kolei „rzucać” na czasoprzestrzeń miary prawdopodobieństwa i obserwować, co się dzieje. Prawdopodobieństwa, jego amplitudy to struktury matematyczne wykorzystywane w mechanice kwantowej. Aby to lepiej zrozumieć, ale i skomplikować sprawę, trzeba wejść w rozważania w ramach teorii PRZYCZYNOWOŚCI. Znowu, w znacznym uproszczeniu, idzie dojść do założenia, że rozmyte struktury kwantowe jakoś respektują zakrzywioną czasoprzestrzeń, w kontekście jej przyczynowości.
Na razie nie można ogłosić żadnego sukcesu w ramach pełnej unifikacji teorii względności i mechaniki kwantowej. Tak, na pewno zunifikowano językowo dwie teorie, to trochę złośliwe. Jest też pozytywna sprawa w tych wysiłkach. Matematyka się rozwija dobrze, bo jest mocno wykorzystywana w formułowaniu hipotez.
Ktoś to wszystko odkryje? Może stanie się to za rok, albo za 10 lat, a może jednak za 100 lat? A jeżeli i taki czas jest zbyt krótki i trzeba … 1000 lat! Należy także założyć, że może człowiek nie jest w stanie tego odkryć do momentu KOLAPSU słońca. Zostało jednak sporo czasu, kilka miliardów lat.
