Teoria akceleracji III (7) – ciemna materia i ciemna energia II

METODOLOGIA ODKRYĆ W NAUKACH
PRZYRODNICZYCH I ŚCISŁYCH
WIZJA ASTRONOMII PLASTYCZNEJ

kosmologia inflacyjna nie stanowi jednolitego modelu. Teoretycy zaproponowali wiele różnych wersji tej teorii (stara inflacja, nowa inflacja, ciepła inflacja, hybrydowa inflacja, hiperinflacja, inflacja wspomagana, wieczna inflacja, rozszerzona inflacja, chaotyczna inflacja, podwójna inflacja, inflacja skali oddziaływania słabego, inflacja hipernaturalna, aby wymienić tylko kilka)(…).
        Brian Greene, Struktura kosmosu

- Rozpaczliwie potrzebujemy waszej pomocy – zawołał Schmidt do siedzących na sali teoretyków na (…) spotkaniu poświęconym kosmologii (…). – Powiedzcie nam tylko, czego wam potrzeba, a my to dla was zdobędziemy (…).
        Brian Schmidt, cyt. wg: Richard Panek, Ciemna strona Wszechświata

Odrzucanie wyników, które się nie podobają, jest sprzeczne z metodą naukową (…).
        Gavin Hesketh, Cząstki elementarne

7.1. RÓWNANIA MATERII I ENERGII A HISTORIA FIZYKI

Czasem pouczające są zdarzenia z historii fizyki.

W 1887 r. Albert Michelson i Edward Morley przeprowadzają swój słynny eksperyment dotyczący eteru i światła – i wynik jest negatywny: prędkość światła jest stała, niezależnie od kierunku.

Wkrótce potem George Fitzgerald wyjaśnia wynik tego eksperymentu, wprowadzając tzw. magiczny czynnik, wyrażający skrócenie ciała poruszającego się z prędkością v w kierunku ruchu proporcjonalnie do czynnika (1 – v²/c²)^1/2. Fitzgerald natychmiast, w 1889 r., publikuje odkrycie.

Do podobnego wniosku dochodzi w 1892 r. Hendrik Lorentz, przyznając jednocześnie pierwszeństwo odkrycia Fitzgeraldowi, co spotyka się z jego opozycją.

W 1895 r. Lorentz analizuje i publikuje niektóre konsekwencje teorii i równań Maxwella i rozważa sytuację nie spoczynku tzw. laboratorium obserwującego, a ruchu (wtedy też w analizach tych dotyczy to eteru). Wprowadza więc pojęcie „zamiany zmiennych”. Tutaj x oznacza odległości w laboratorium „w spoczynku”, x’ – odległości w laboratorium poruszającym się w stosunku do eteru z prędkością v; po przejściu od jednego układu do drugiego, wszędzie x pojawiające się w równaniach, zastąpione zostanie przez x’ = x – vt.

Jednak pozostając w ramach zapisu matematycznego, w równaniach „wyskakują” czynniki v/c i v²/c², co jest nieprawidłowe. Dlatego Lorentz wprowadza pojęcie tzw. czasu lokalnego (zamieniając zmienną t – tak jak wcześniej zmienną x; zgodnie też z tezą, że czas może różnie biec w różnych miejscach przestrzeni), wyrażonego wzorem t’ = t – vx/c². Dzięki temu znika kłopotliwy czynnik v/c, pozostaje jednak czynnik v²/c².

Jednak tu Lorentz powraca do koncepcji Fitzgeralda i jego „magicznego czynnika” (1 – v²/c²)^1/2, dzięki czemu również w równaniach znika kłopotliwy zapis, wyrażenie v²/c².

Dlaczego powyższa historia (tak jak to przedstawia J.P. Auffray w książce „Czasoprzestrzeń”) jest pouczająca dla teorii ciemnej materii i ciemnej energii? Na czym polega podobieństwo obu sytuacji?

Materia, energia (w tym jako ciemna materia i ciemna energia) jest problemem w fizyce i astronomii. Wprowadza pewne zapisy kłopotliwe matematycznie przy niektórych zjawiskach.

Jednak istnieje częściowe rozwiązanie tego problemu. Można wprowadzić pojęcia masy ustrukturyzowanej i punktu (tak jak w powyższej historii np. pojęcia „zamiany zmiennych” i czasu lokalnego) oraz wymiarów przestrzeni – jednowymiarowej dla ciemnej energii, dwuwymiarowej dla ciemnej materii i trójwymiarowej dla zwykłej materii (wcześniej analizowany wzór w = katⁿ + b; b – ciemna energia – stała, 1-wymiarowa, ciemna materia – zmienna a (mem) i przestrzeń 2-wymiarowa, oraz zwykła materia – zmienna n (paradygmat) i 3-wymiar).

Widać więc, że pewne teorie, nowe teorie i pojęcia matematyczne natychmiast przekształcają i zmieniają wiedzę o fenomenach fizycznych, tu ciemnej materii i ciemnej energii. Wskazuje to na istotną rolę matematyki i jej równań w pogłębianiu wiedzy fizycznej i astronomicznej.

Niektóre procesy w tych równaniach mogą wydawać się „niecodzienne” (np. jako 1-wymiarowa przestrzeń ciemnej energii), jednak w fizyce podobne są np. zabiegi typu kompaktyfikacji. Kompaktyfikacja to zabieg matematyczny, pozwalający uczynić z wymiaru liniowego wymiar zamknięty w okrąg. Dotyczy to głównie wielowymiarowych przestrzeni, jakimi operuje np. teoria strun. Podobnie w 1926 r. matematyk Oskar Klein udowodnił, że piąty wymiar w teorii czasoprzestrzeni Theodora Kaluzy ulega kompaktyfikacji, czyli zachodzi sytuacja, że przestrzeń zostaje zwinięta w niewidoczny okrąg.

7.2. (STAŁA?) MATEMATYKA CIEMNEJ ENERGII – JESZCZE RAZ

Twierdzenie, że rozwój biograficzny, filogenetyczny czy kosmologiczny zaczyna się od zera, nie jest ścisłe. Kosmos, na przykład, od początku, zastaje pewien stan wyjściowy, „genotyp”, układ stałych, stan próżni. W zapisie w = katⁿ + b wiąże się to ze stałą b – i zarazem energią próżni, która sprowadza się do ciemnej energii.

Jednak, gdy np. dziecko przychodzi na świat, to świat decyduje o wszystkim, co się później stanie całkowicie. Stąd nawet w obszarze integracji wstępnej, fazie pierwszej w biografii, związanej tu z początkiem edukacji (a więc i w ramach czynnika b) istnieje pewne „pole manewru”, a więc i rozwój tworzony przez tzw. paradygmat podskórny.

Tak więc ewolucja kosmosu – poprzez ery ciemnej energii, ciemnej materii i zwykłej materii, mimo wszystko przyjmuje formułę w = katⁿ – bez stałej b, która zostaje „wchłonięta” przez taką a nie inną wielkość głównie paradygmatu podskórnego.

Co więc jest matematycznym odpowiednikiem ciemnej energii, jeśli nie jest nią wyrażenie, składnik b?

Wydaje się, że tym, co zapisuje przedbieg tej fazy, są zmodyfikowane wartości zmiennych a’ i n’ – odpowiednio mniejszych (choć mimo wszystko gra pewną rolę tu również stała b, jednak jej funkcję przejmują i realizują czynniki a’ i n’ – tak jak o przebiegu osiągnięć dziecka decyduje i jego realizuje nie genotyp a biografia).

7.3. CIEMNA ENERGIA JAKO STAŁA – KONSEKWENCJE MATEMATYCZNE W RÓWNANIU

Można przeanalizować sytuację, gdy fazę ciemnej energii (a więc integracji wstępnej) potraktuje się jako stałą. Jak zmieni się układ dynamizmów rozwojowych oraz jaką wartość przyjmie związany z tym paradygmat?

Można więc wprowadzić tu pojęcie paradygmatu rozwojowego n_r, czyli związanego z fazami rozwojowymi ewolucji Wszechświata – ciemnej materii i zwykłej materii, potraktowanymi jako obie rozwojowe (nieliniowe). Zarazem wystąpi tu odpowiednia stała rozwoju k_r (=1; rok^1-nr).

Zapis formalny więc będzie następujący, uzupełniony wcześniejszym zapisem (w kontekście faz materii i energii):

w = m_u = katⁿ = gv = k_zate^Sz-1 = k_ra_rt_r^nr + b, gdzie

w – wartość struktury (masa ustrukturyzowana)
a_r – mem rozwojowy
t_r – czas rozwojowy
n_r – paradygmat rozwojowy
b – poziom ciemnej energii
k_r – stała rozwoju (związana z fazami rozwojowymi – ciemnej materii i zwykłej materii)

Podobne rozumowanie można przeprowadzić nie dla paradygmatu rozwojowego, ale dla entropii rozwojowej.

7.4. DOKŁADNIEJSZE SZCZEGÓŁY FAZ MATERII I ENERGII

Analizując kosmos – energię i materię, stosujemy często pewne uproszczenia dla uchwycenia niektórych głębszych mechanizmów i tendencji. Jednak przy dokładniejszej analizie, rozpatrując działanie wszystkich czynników (tak jak w teorii względności Einsteina w stosunku do teorii grawitacji Newtona; podobnie w mikrofizyce pomija się grawitację), konieczne jest wziąć pod uwagę dokładniejsze, niczym w mikroskopie, powiększenie. Wtedy wyłaniają się nowe procesy i jakości.

Takie myślenie jest obecne i powszechne w fizyce, kiedy pomija się pewne poziomy, np. fizyczny, chemiczny, biologiczny itd.

Wszechświat jest bogactwem fenomenów i – zależnie od przedmiotu badań – co innego bierzemy w danej chwili pod uwagę. I tu mają miejsce następujące wzory:

w = w_c’ + k_zma_zt_z^nz

w_c’ = k_cma_cmt_cm^ncm  + b

w_c = k_ca_ct_c^nc,

gdzie

w_c’ – etap przed fazą zwykłej materii analizowany w sposób normalny, to jest z rozdzieleniem na fazę ciemnej energii i fazę ciemnej materii, tę ostatnią jako rozwojową-liniową (przy n_cm = 1), oraz przy ciemnej energii jako stałej
b – poziom ciemnej energii
w_c – fazy przed fazą zwykłej materii analizowane jako realizacja paradygmatu podskórnego – w ramach ciemnej energii i potem ciemnej materii – przy obu potraktowanych jako rozwojowe (n_c≠1) (odpowiednio wystąpią k_c, a_c, t_c i n_c); ciemna energia więc nie jest tu stałą
k_zm, a_z, t_z, n_z – oznaczenia dla fazy zwykłej materii (działanie klasycznego paradygmatu zwykłej materii – w pełni nieliniowego – wykładniczego)

7.5. CIEMNA ENERGIA INFLACYJNA

Równanie struktur jest pewnym modelem ewolucji Wszechświata i stanowi wyjaśnienie mechanizmu ciemnej materii i ciemnej energii (a więc odpowiedź na pytanie dlaczego „jest coś a nie nic”). Jednak czy wyjaśnia ono również zjawisko inflacji? To ma znaczenie dla oceny wartości tej matematycznej teorii i jej formalnego zapisu.

A więc, zgodnie z powyższym, pozostajemy w obszarze ogólnego, wyjściowego równania w = katⁿ + b. Tutaj b to ciemna energia i rozszerzanie się Wszechświata. Gdzie jest tu miejsce na inflację, przyspieszanie jego ekspansji itd.?

Wskazówką jest samo równanie i są nią konsekwencje matematyczne wzoru.

A więc inflację można porównać do zjawiska przejściowego obniżenia masy ustrukturyzowanej. A więc przypominałoby to dezintegrację biograficzną z jej tendencją spadkową (dezintegracja to faza po integracji wstępnej a przed fazą reintegracji). Wtedy np. współczynnik a lub jego modyfikacje przyniosłyby wartość spadkową równania  (jednak jest to otwarty problem).

Wszystko powyższe przyjmuje postać jak na rysunku 3 (poprzednia notka; niektóre proporcje nie zachowane). Oczywiście ciemna energia obejmuje tu tylko fazę inflacyjną. Od ok. 5 mld lat obserwuje się przyspieszenie ekspansji Wszechświata. W bardzo odległej przyszłości Wszechświata pojawią się tendencje stabilizacyjne na wykresie.

Tyle teoria i równanie struktur (modyfikacją powyższego zapisu jest np. mechanizm związanego z inflacją pola inflatonowego, ale to już jest odrębna historia).

Jednak faktem jest, że inflacja w ewolucji naszego Wszechświata miała konstruktywne działanie (por. B. Greene, „Struktura kosmosu. Przestrzeń, czas i struktura rzeczywistości”) (podobnie jak ciemna energia). Tak też uznaje fizyka. Zresztą, podobnie, dezintegracja w rozwoju może mieć sens i jest problemem oraz, w porównaniu np. z integracją wstępną, „poprawnym postawieniem problemu” (mówi się np. „dezintegracja pozytywna”). Jej schyłek przecież owocuje reintegracją (tak jak pierwsze „wytrącenie się” materii, zwykłej materii zaszło głównie pod koniec inflacji).

Ale, z drugiej strony, racją Wszechświata jest i będzie akceleracja, czyli postęp. Taki jest przynajmniej wniosek, realizacja i wypełnienie tego, co wynika z astronomii.

Powyższy rysunek autora przedstawia jedno z wyzwań, idei i celów świata – eksplorację kosmosu. Tu widać powierzchnię i przyszłą obecność człowieka na księżycu odkrytej planety pozasłonecznej.

             Woda – problemy z transformacją księżyca – egzoksiężyc planety HD 28185 B

Materiały źródłowe:
J.P. Auffray, „Czasoprzestrzeń. Więcej wiedzieć. Odkrywać świat i siebie”, Wydawnictwo „Książnica”, Katowice 2000.

Tagi: ciemna materia, ciemna energia