[Cytadela] Cztery ziarniste minuty

NewsBot - Aktualności · 29 Października 2009

Pozwolę sobie na wstępie (ostrzegam, wstęp tym razem jest naprawdę dłuugi!) zuchwale założyć, że w kręgu osób wizytujących mniej lub bardziej sporadycznie mojego bloga zwolennicy kreacjonizmu stanowić powinni zaniedbywalną jak mniemam mniejszość – wszyscy pozostali zgodzą się zapewne ze mną co do tego, że człowiek (jak i wszelakiej maści organizmy żywe na Ziemi) ewoluując wykształcił zmysły obejmujące otaczającą go rzeczywistość w takim zakresie, jaki jest mu niezbędny do “prostej” egzystencji, prostej w takim sensie, że przykładowo percepcja wzrokowa obejmuje tylko niewielki zakres szerokiej gamy promieniowania elektromagnetycznego dlatego, iż większy niekoniecznie przynosiłby nam jakiekolwiek rzeczywiste korzyści. Natura, jeśli tak można powiedzieć, jest zdeklarowaną pragmatyczką – sprawdza niewyobrażalną liczbę możliwości, eliminując te niepotrzebne i wzmacniając istotne.

Jeśli zastanawiacie się skąd u mnie takie niebywale mądre refleksje, postaram się w miarę płynnie, choć i tak kulawo, przejść do konkretów – z ludzkich zmysłów nie bez powodu wymieniłem powyżej wzrok, bo dzisiejszy wpis wiele wspólnego ma właśnie z bodźcami, których wzrok jest odbiorcą – światłem. Swego czasu, w początkach minionego wieku, niejaki Albert Einstein stwierdził po latach wytężonego dumania, że każdego rodzaju fale elektromagnetyczne – od niskoenergetycznych fal radiowych do “nasyconych” ogromną energią fal promieniowania gamma – rozchodzą się w próżni z jednakową prędkością, równą… no tak, prędkości światła w próżni. Ponadto, co ważne bardzo w kontekście poniższych akapitów, prędkość ta jest niezależna od energii, jaką niosą same fotony.

Zanim przejdziemy dalej, musimy powiedzieć słów kilka o drugim obok światła pierwszoplanowym bohaterze tego wpisu - czasoprzestrzeni. O ile w przypadku promieniowania elektromagnetycznego nasze zmysły zdolne są rejestrować zaledwie fragment całego spektrum, jednak coś tam nieporadnie postrzegamy, o tyle w przypadku czasoprzestrzeni sprawa przedstawia się znacznie gorzej – można z łatwością wyobrazić sobie naszych przodków sprzed setek tysięcy lat sapiących z zachwytem nad feerią kolorów charakterystyczną dla otaczającego nas świata, trudniej jednak byłoby uwierzyć, że podobne ochy i achy towarzyszyły podziwianiu struktury czasoprzestrzeni. Czas co prawda (choć i tak nie mamy zielonego pojęcia czym naprawdę jest ani do końca czy rzeczywiście istnieje) jest pojęciem pozornie nam bliskim i stale obecnym w naszym codziennym życiu, przestrzeń jednak wydaje się być mocno abstrakcyjnym pojęciem – spróbujcie choćby na własne potrzeby ją sensownie zdefiniować.

Przyjmijmy trochę nieporadnie dla celów tego wpisu, że przestrzeń to “coś, w czym wszystko jest”, choć kiedy weźmiemy pod uwagę teorię Wielkiego Wybuchu, wedle której przestrzeń powstała w określonym momencie w przeszłości, sprawa zaczyna się gwałtownie gmatwać – skoro to “coś” kiedyś powstało, to co istniało wcześniej? Można by rzec “nic”, jednak tutaj każdy szaraczek taki jak ja musi bezradnie skapitulować – “nic” w potocznym rozumieniu to po prostu pustka w przestrzeni, jak wygląda jednak takie bezwzględne “nic”? Zanim jednak zagalopuję się zbytnio w rozważaniach skrajnie metafizycznych, zawróćmy z tego grząskiego szlaku z powrotem do meritum wpisu. A jest nim pytanie o strukturę czasoprzestrzeni i sposób jej określenia.

Ponieważ nasze umysły osiągają tutaj jak sądzę granice pojmowania, na scenę wkraczają matematycy do spółki z fizykami, którym takie zagadnienia nigdy nie straszne. Tylko językiem tych nauk ścisłych można podobne rozważania bezkarnie prowadzić, gdyż Natura z pewnością nie przewidziała, że ludziska zaczną kiedykolwiek roztrząsać równie fundamentalne kwestie. O ile nie sposób chyba sobie coś takiego wyobrazić, o tyle teoretycy od jakiegoś już czasu rozważają możliwość, wedle której czasoprzestrzeń jest “nieciągła“.

Co to właściwie oznacza? Dla nas w zasadzie nic, bo nie jesteśmy w stanie tego w jakikolwiek sposób zauważyć, jednak taka cecha Wszechświata niosłaby ze sobą doniosłe konsekwencje (choć bez bicia przyznam, że nie wiem jakie). By nie rozciągać w nieskończoność tego i tak niemiłosiernie długiego wstępu (tak, to ciągle wstęp!) przypomnę tutaj tylko, że jednym z wielkich marzeń naukowców od lat jest wyczyn jak dotąd przez nikogo nie dokonany – połączenie w jedną spójną teorię ogólnej teorii względności Einsteina, spisującej się wyśmienicie w wielkich skalach, i mechaniki kwantowej, równie dobrze działającej w skalach mikroskopowych. Wielu naukowców jest zdania, że obie teorie są w pewnym sensie składnikami jakiejś bardziej fundamentalnej, a prób stworzenia takowej jest naprawdę wiele – większość z nich określanych jest jako teorie “kwantowej grawitacji”.

Póki co żaden kozak nie stworzył teorii, która realizowałaby tak ambitne zadania, nawet miłośnicy teorii strun muszą chyba przyznać, że to jeszcze nie “to”. Wraz z rozwojem technologii jednak pojawiają się przynajmniej możliwości, by choć część z nich móc eksperymentalnie zweryfikować – i o takim to właśnie dokonaniu jest ten mętny wpis.

Niektóre z teorii grawitacji kwantowej zakładają, że czasoprzestrzeń posiada dyskretną strukturę – inaczej mówiąc, podobnie trochę jak w przypadku światła, którego najmniejsza niepodzielna “ilość” to kwant światła, przestrzeń również nie byłaby wtedy gładkim “płynem” (kiepska analogia, no ale cóż), wypełniającym idealnie Wszechświat. Gdybyśmy mogli dzielić przestrzeń i czas na coraz mniejsze fragmenty, musielibyśmy w końcu natknąć się na swoistą granicę – jej wyjątkowość polegałaby jednak nie na ograniczeniach, wynikających z rozdzielczości instrumentów pomiarowych, a na wbudowanej fundamentalnie w czasoprzestrzeń strukturze. Tym samym, dość co prawda mętnie, można by sobie wyobrażać czasoprzestrzeń nie jako płyn, a jako bardzo drobną “pianę” o maciupkich “ziarnach”.

Jeśli rozejrzycie się wokół siebie, z pewnością nabierzecie podejrzeń, że “ziarna” te muszą być naprawdę maleńkie – w końcu nie za bardzo widać wokół nas podział przestrzeni na metrowej wielkości bloczki. I rzeczywiście, owa fundamentalna “jednostka” czasoprzestrzeni, jeśli istnieje, musi być niezwykle, niewyobrażalnie wręcz mała – w przypadku “długości” mowa tutaj o ok. 1,6Âˇ10^-35metra, natomiast w przypadku czasu o 5,3Âˇ10^-44 sekundy. Obie te wartości są ściśle ze sobą powiązane i w fizyce znane są odpowiednio pod nazwami skali (długości) Plancka i czasu Plancka. Aby uzmysłowić sobie, o jakich wielkościach mówimy, wystarczy wspomnieć, że długość Plancka stanowi ok. jedną stutysięczną trylionowej wielkości… protonu.

Niewiele, to prawda. Tym bardziej jednak większe wrażenie sprawia w świetle tego świadomość, że naukowcy są w stanie eksperymentalnie wykazywać, jak ta struktura rzeczywiście wyglądać może (lub nie może).

Wszystko rozpoczęło się w 2005 roku, kiedy to naziemny teleskop MAGIC (Major Atmospheric Gamma-ray Imaging Cherenkov Telescope), pracujący w zakresie promieniowania gamma i znajdujący się na Wyspach Kanaryjskich, podczas obserwacji długiego rozbłysku gamma (trwającego 20 minut!) w odległej o kilkaset milionów lat świetlnych galaktyce Markarian 501, zarejestrował coś frapującego – fotony, podróżujące od pół miliarda lat docierały do teleskopu w różnym czasie, co jednak najważniejsze, owo zróżnicowanie było ściśle skorelowane z pewną cechą fotonów – ich energią. Fotony o bardzo dużej energii dotarły do Ziemi o całe cztery minuty później niż te o energii znacznie niższej. Niby nic ciekawego, jednak informacja o tym dość szybko sporo namieszała w światku astrofizyków i spowodowała, że teoretycy pracujący nad kwantowymi teoriami grawitacji nie mogli pochwalić się stabilnym pulsem. Wszystko dlatego, że wspomniane wyżej teorie, przewidujące nieciągłość czasoprzestrzeni, w konsekwencji tego założenia przewidują (a przynajmniej niektóre z nich), że musi to w zauważalny sposób wpływać na przemieszczanie się fal elektromagnetycznych w tejże przestrzeni.

Wspomniana wyżej struktura “ziarnista” w różny sposób musiałaby oddziaływać z promieniowaniem elektromagnetycznym o różnej energii – im foton niesie jej więcej, tym fala jest krótsza; w przypadku niezwykle energetycznych fotonów gamma na tyle krótka, by ziarnista struktura przestrzeni mogła wyraźnie wpływać na ich prędkość, można by wręcz powiedzieć, że fotony takie musiałyby pokonywać dość “wyboistą” drogę, w przeciwieństwie do fotonów o mniejszej energii, którym przy większej długości fali takie grudki nie mogłyby w niczym przeszkadzać. Pewnie domyślacie się już, dlaczego obserwacje teleskopu MAGIC tak pobudziły wyobraźnię niektórych teoretyków – opóźnienie pomiędzy fotonami wydawało się potwierdzać, że czasoprzestrzeń jest “ziarnista” a prędkość światła zależna jest od energii, jaką niesie foton. Warto jednak wspomnieć, że nie do końca tak różowo sprawy wyglądały – zmierzone opóźnienie wymagało, by “ziarnistość” objawiała się w większych skalach, niż wynikało z teorii – to jednak dla fizyków niespecjalny problem, by teorie odpowiednio, ekhem, dopasować.

Z problemami czy bez, byłoby to rzeczywiście rewolucyjnym odkryciem, jak na razie bowiem szczególna teoria względności Einsteina jest niepokonana i nie mamy żadnych dowodów na to, iż światło mogłoby zmieniać swą prędkość w zależności od jakiegokolwiek czynnika (oprócz ośrodka, rzecz jasna). Dyskusja rozgorzała więc w najlepsze i tak sprawy miały się do tego roku, kiedy kolejne obserwacje – tym razem teleskopu znajdującego się w Kosmosie – w końcu najprawdopodobniej rozwiały wszelkie wątpliwości.

W dniu 20 maja tego roku teleskop kosmiczny FERMI zarejestrował ponownie rozbłysk gamma, tym razem jednak w przeciwieństwie do poprzedniego z gatunku krótkich (trwał 2,1 sekundy), znacznie jednak odleglejszy, gdyż pochodzący z odległości ok. 7 miliardów lat świetlnych. Rozbłysk, ochrzczony zgodnie z odpowiednią nomenklaturą mianem GRB090510, który był manifestacją najprawdopodobniej zderzenia dwóch gwiazd neutronowych (a przynajmniej taki wariant rozpatrują najczęściej w przypadku krótkich błysków gamma astronomowie) okazał się niespodziewanie doskonałym testem dla różnych spekulacji dotyczących struktury czasoprzestrzeni – niestety dla teoretyków wspomnianych wyżej test ten wypadł raczej negatywnie.

Po siedmiu miliardach lat podróży fotony powstałe w trakcie rozbłysku dotarły do teleskopu – zarówno fotony o bardzo niewielkiej energii (względnie), jak i fotony o energii milion razy większej. Jak się jednak okazało, opóźnienie pomiędzy tymi fotonami było wręcz zaniedbywalnie małe – wynosiło ok. 0,8 sekundy. Przykładając ten śmiesznie krótki czas do trasy, jaką fotony pokonały… można śmiało założyć, że opóźnienia praktycznie nie było i – w konsekwencji tego – czasoprzestrzeń nie ma struktury “ziarnistej” albo, czego ostatecznie nie można wykluczyć, “ziarna” są znacznie mniejsze, niż dotąd przypuszczano.

Po raz pierwszy rozwój technologii obserwacyjnych pozwolił nam prowadzić badania empiryczne nad związkiem efektów kwantowych z geometrią czasoprzestrzeni, warto jednak wspomnieć, że naukowcy nie poprzestają oczywiście na tym i w ciągu najbliższych lat planują wykonanie obserwacji, które mogłyby zweryfikować “ziarnistość” Wszechświata w jeszcze mniejszych skalach. Póki co wydaje się jednak, że teoretycy, pracujący w pocie czoła nad teoriami kwantowej grawitacji, muszą przyłożyć się jeszcze bardziej i zrezygnować z niektórych egzotycznych pomysłów. W przypadku obserwacji teleskopu MAGIC rozważa się obecnie najróżniejsze wytłumaczenia – może to zadziwiające opóźnienie wzięło się z czegoś zupełnie niezależnego od struktury czasoprzestrzeni, może po prostu w tym konkretnym przypadku promieniowanie o niższej energii zostało wyemitowane z niewyjaśnionych jeszcze przyczyn trochę wcześniej niż to o wysokiej? Warto, mimo naprawdę cennego dowodu eksperymentalnego, pamiętać również o tym, że obserwacje teleskopu FERMI nie oznaczają mimo wszystko gwałtownej śmierci wszelkich rozważań nad “ziarnistością” czasoprzestrzeni – konieczna jest zmiana niektórych założeń, dalsze prace teoretyczne, obserwacyjne – kto wie, co jeszcze nas w tej materii czeka.

Źródła:

Wyświetl pełny artykuł