Jerzy Salak Wszechświat i My

Kolory ciemne, a tym bardziej czarne zawsze kojarzą się z czymś tajemniczym, nieznanym, czasami złym lub wręcz upiornym. Wszelkie tajemne obrządki były i są określane mianem czarnej magii. Również ostateczne zakończenie materialnej świadomości istot żywych, przejście do innej formy istnienia, najczęściej jest przedstawiana przez artystów w ciemnych barwach. Kolorystyczne zabarwienia dotyczą również posiadanej przez nas wiedzy - jasności lub ciemności umysłu. Często dla podkreślenia czyjejś niewiedzy mówimy o „ciemnej masie”.

Kolor czarny niesie w sobie jakąś tajemnicę. Jeżeli coś jest czarne, to oznacza, że pochłonęło w dużej części lub w całości medium, za pomocą którego chcemy to coś zbadać czy poznać. Przykładem jest znane w fizyce ciało doskonale czarne pochłaniające CAŁE promieniowanie elektromagnetyczne docierające do niego niezależnie od długości fali. Tak jakby ktoś czy coś nie chciało dać się do końca poznać.

Najczęściej, jeżeli czegoś nie rozumiemy lub nie jesteśmy w stanie wytłumaczyć skrywamy za ciemną kotarą naszej niedoskonałości. Świadomość tego, że coś nie rozumiemy lub nie wiemy jest co najmniej irytująca i staramy się tego tematu nie ruszać. W tym kontekście dziwi tak szczere przyznanie się najwybitniejszych współczesnych fizyków do swojej ignorancji. Mam na myśli funkcjonujące od niedawna w fizyce teoretycznej pojęcia „ciemna energia” i „ciemna materia”.

Obserwacje astronomiczne dokonane w ciągu ostatnich 30 lat dokonały rewolucji w naszym rozumieniu i postrzeganiu Wszechświata. Przypominam sobie pewność i pychę niektórych XIX wiecznych fizyków, którzy po odkryciu grawitacji (teorii Newtona), elektryczności i wspaniałego w swej prostocie matematycznego opisu zjawisk elektromagnetycznych (równania Maxwella) wysunęli wniosek, że w zasadzie CAŁA PRZYRODA została już odkryta. Do wyjaśnienia pozostają wyłącznie szczegóły, które można oczywiście wytłumaczyć w oparciu o posiadaną do tej pory wiedzę.

Podobne podejście istniało w fizyce pod koniec XX wieku, kiedy to większość naukowców przymierzała się do opracowania „teorii wszystkiego”, a więc ostatecznego opisu i zjednoczenia wszystkich znanych w przyrodzie oddziaływań siłowych (grawitacji, elektromagnetyzmu, oddziaływań słabych i silnych – czterech podstawowych sił kształtujących strukturę Wszechświata oraz wszystkich materialnych i niematerialnych bytów), a także wyjaśnienia budowy wszystkich cząstek elementarnych materii.

Obserwacje Wszechświata w bardzo dużej skali, na poziomie galaktyk lub gromad galaktyk wykazały zadziwiające właściwości skupisk materii, które nie można wytłumaczyć na bazie aktualnie posiadanej wiedzy. Zacznę może od Wszechświata jako całości.

Problem zaczął się już od teorii względności Alberta Einsteina i jego opisu Wszechświata jako całości. Einstein na początku był zwolennikiem statycznej budowy Kosmosu, o stałych rozmiarach i stałej ilości zgromadzonej materii i energii. Aby „utrzymać” Wszechświat w stanie stacjonarnym Einstein wprowadził do swoich równań tzw. stałą kosmologiczną. Odkrycia Edwina Hubbla o oddalaniu się galaktyk od siebie, a więc rozszerzaniu się rozmiarów Wszechświata spowodowały, że Einsteina przyznał się do popełnionego błędu, co zresztą sam nazwał swoją największą porażką w życiu. Jednakże dzisiejsze obserwacje zmuszają nas do bliższego przyjrzeniu się pomysłom tego genialnego fizyka i być może zwrócenia mu honoru. Nie mówię tutaj o pomyśle stacjonarnego Wszechświata, bo to jest z pewnością niemożliwe, ale o wprowadzeniu „stałej kosmologicznej”, której interpretacja fizyczna jest nader interesująca. Otóż, aby utrzymać Kosmos w stanie stacjonarnym Einstein założył istnienie pewnej siły powstrzymującej grawitacyjne kurczenie się przestrzeni. Ta siła miała „nienormalne” właściwości ODPYCHANIA normalnej materii od siebie, a więc działanie dokładnie PRZECIWNE do dobrze nam znanej siły grawitacji. Według Einsteina te dwie siły idealnie się równoważyły, co powodowało niezmienność rozmiarów Wszechświata.

Dzisiejsze obserwacje astronomiczne wprowadzają nas w zdziwienie i zakłopotanie. Otóż okazuje się, że Wszechświat z pewnością się rozszerza, ale TEMPO rozszerzania się jest o wiele większe od tego, jakie wynika ze znanego rozkładu całej materii i energii widzialnej części Kosmosu. Mało tego, szybkość rozszerzania się WZRASTA! Co w takim razie „napędza” to zjawisko? Dlaczego rozmiary Kosmosu rosną nieliniowo? Ilość energii wyzwolonej podczas Wielkiego Wybuchu, a więc na początku istnienia Wszechświata jest stanowczo za mała, aby wystarczyła do wyjaśnienia danych obserwacyjnych.

Jedynym wyjaśnieniem jest założenie istnienia jakiejś formy energii, jeszcze nieodkrytej, która ma te niesamowite właściwości pozwalające na obserwowaną ekspansję przestrzeni oraz materii w niej zawartej. Coś w stylu fantastycznej „antygrawitacji”. Ponieważ nic o niej nie wiemy, więc jak ulał psuje do niej określenie „ciemnej” energii. Potrafimy jedynie określić ile jej mniej więcej potrzeba, aby Wszechświat był taki, jakim go widzimy. Ilościowe dane są szokujące! Ciemna energia powinna stanowić ok. 74% całej istniejącej we Wszechświecie energio-materii!

Inne obserwacje dokonane na podstawie zachowania się dużych skupisk materii, jak np. galaktyki lub gromady galaktyk doprowadziły do założenia istnienia tzw. „ciemnej materii”. Jednym z powodów takiego kuriozalnego pomysłu było zaobserwowanie zjawiska niezgodnego z oczekiwaniami rotacji gwiazd w galaktykach.

W większości układów ciał materialnych obracających się wokół punktu centralnego główną siłą utrzymującą układ w „całości” jest siła grawitacji, pochodzącą od materii. W wyniku zjawisk zachodzących podczas tworzenia się układu Słonecznego (równowagi między siłami grawitacji a naturalnym ruchem postępowym materii) planety znajdujące się bliżej Słońca obracają się szybciej, a dalsze wolniej. W podobny sposób powinny zachowywać się gwiazdy w galaktykach czy galaktyki w gromadach galaktyk, ale niestety nie dzieje się tak we wszystkich przypadkach. W wielu galaktykach gwiazdy zewnętrzne mają bardzo zbliżoną prędkość obrotową do gwiazd znajdujących się bliżej środka obrotu. Tak jakby istniała dodatkowa siła nie pozwalająca uciec gwiazdom zewnętrznym z galaktyki, podobnie jak łańcuchy na karuzeli w wesołym miasteczku nie pozwalają odlecieć naszym milusińskim razem z krzesełkiem na sąsiednią atrakcję. Tę dodatkową siłę miałaby wytwarzać nieodkryta jeszcze forma materii, którą oczywiście możemy nazwać dla niepoznaki „ciemną materią”.

Istnieją jeszcze inne zjawiska, których wyjaśnienie przy założeniu istnienia ciemnej materii jest o wiele prostsze i łatwiejsze. Istotniejsze jest jednak to, że jeżeli spróbujemy oszacować, ile tej ciemnej materii powinno się znajdować we Wszechświecie, to dane są znowu szokujące. Według dzisiejszych obliczeń nie widzimy lub nie potrafimy zaobserwować ok. 24% całej energio-materii istniejącej we Wszechświecie. Mało tego, nie potrafimy dokładniej określić z czego zbudowana jest ta niezwykła materia. Jedynie co wiemy, to że na pewno powinna posiadać właściwości grawitacyjnego przyciągania „zwykłej” materii oraz nie jest zbudowana ze znanych nam cząstek elementarnych.

Jeżeli teraz ostatecznie popatrzymy się na rysunek odzwierciedlający proporcje ilościowe ciemnej energii, ciemnej materii, materii widzialnej i obserwowanego promieniowania (energii elektromagnetycznej), to możemy tylko złapać się za głowę i trochę postękać nad naszą ignorancją. A najlepiej ukryć ją za ciemną zasłoną. Przez setki, tysiące lat badań, obserwacji zdołaliśmy poznać JEDYNIE niecałe 4% Wszechświata! To wszystko, co do tej pory wydawało nam się w miarę znane i pewne stanowi jedynie ułamek tego co nas faktycznie otacza, a otacza nas 96% materii i energii w postaci, którą nie znamy, nie widzimy, nie czujemy i nie rozumiemy. Świadomość tego jest zarówno przerażająca jak i podniecająca. Ile jeszcze rzeczy przed nami do odkrycia!!! I bardzo dobrze …

Brzeg, 2004

„Nigra massa”