WSZECHŚWIAT i MY

JERZY SALAK

Żyjemy w miejscu, które jest dla nas bardziej lub mniej znajome, zrozumiałe i możemy się w nim w miarę swobodnie poruszać. To miejsce zapełnione jest wieloma różnymi obiektami i dzięki nim możemy orientować się, gdzie aktualnie przebywamy. Możemy również w szczegółowy sposób określić jak daleko jesteśmy od tych obiektów, co pozwala nam skonkretyzować nasze położenie w przestrzeni.

Ale wyobraźmy sobie, że wszystkie materialne przedmioty wokół nas, istoty, światło i cała energia - dosłownie wszystko – znika. To co wokół nas pozostaje? Czy faktycznie nie ma tam już niczego?

Intuicja i rozum podpowiada nam, że zostało tam jednak „miejsce”, które ponownie może zostać czymś zapełnione. To „miejsce”, nawet pozbawione wszystkiego, ten pusty obszar nazywamy potocznie przestrzenią. Czasami po prostu „pustką”. Czym ona jest? Jak ją rozumieć? Czy jest jednak z czegoś zbudowana? Czy ma jakąś strukturę i wewnętrzną emanację? Jeżeli tak, to czego? Czy „pustka” jest faktycznie pusta?

Jak trudno odpowiedzieć na te pytania świadczy fakt, że do czasów średniowiecza praktycznie nikt nie próbował jej dokładnie opisać. Najczęściej przestrzeń rozumiano jako bezkresną pustkę lub jako sumę poszczególnych miejsc np. miast, państw itp.

Genialny matematyk, fizyk i filozof XVII wieku Isaak Newton nazywał pustą przestrzeń areną Wszechświata, która jest zapełniana materią, energią i różnymi siłami. Nie definiował samego pojęcia przestrzeni, bo jeszcze wtedy większa część ludzkości nie dorosła do zadawania takich pytań, a i tak było trudno zrozumieć to co chciał przekazać w wiekopomnym dziele „Philosophiae naturalis principia mathematica”. Przestrzeń opisywana przez Newtona jest trójwymiarowym obszarem, w którym możemy poruszać się do przodu i do tyłu, w lewo i w prawo oraz w górę i w dół. Obszar ten nie musi być czymkolwiek wypełniony, może być pusty, a jego zawartość nie wpływa na właściwości samej przestrzeni. Jest ona niezmienna i absolutna. Podobne właściwości ma dla Newtona czas, jako czwarty niezależny od przestrzeni wymiar fizycznego świata.

Dla wielu ludzi było to oczywiste, gdyż w takim świecie przyszło nam żyć. Doskonale wiemy, że poruszanie się na płaskiej dwuwymiarowej przestrzeni jest dla nas łatwiejsze, ale jakikolwiek ruch w trzecim wymiarze jest mocno ograniczony panującą powszechnie siłą grawitacji. Ze względu na ograniczenia fizyczne można uznać nas za „płaszczaków” – istoty mogące funkcjonować w zasadzie w 2-ch wymiarach przestrzennych. Nawet dzisiaj, pomimo znacznego rozwoju techniki potrafimy odlecieć z naszej kolebki życia jedynie na niewielką odległość. Jak na razie dotarliśmy osobiście do naszego Księżyca, a więc nie więcej niż 400 000 km.

Kolejny genialny fizyk Albert Einstein uszczegółowił nam faktyczne właściwości przestrzeni. Nie jest już ona taka stabilna, absolutna i niezmienna. Struktura przestrzeni zmienia się (zagina) w obecności materii i energii, która wpływa na jej geometrię. Z kolei przestrzeń „pokazuje” materii, jak ma się w takiej sytuacji poruszać. Einstein dodatkowo wprowadził do ogólnej struktury przestrzeni czas, który jest jej nieodłącznym elementem, również zmieniającym się w obecności materii i energii. Od teraz przestrzeń jest tworem zmiennym, zależnym od tego, co się w niej znajduje. Zniknęła też siła grawitacji w klasycznym rozumieniu.

Matematycy dla określenia właściwości przestrzeni wprowadzili pojęcie miary, która szczegółowo opisuje jaką strukturę ma badana przestrzeń. Wprowadza się pojęcie współrzędnych, które ułatwiają opisanie odległości pomiędzy punktami przestrzeni. O ile w matematyce przestrzeń może być faktycznie pusta, to w praktyce brak materialnych punktów odniesienia np. przedmiotów, osób, planet czy gwiazd – praktycznie uniemożliwia dokonanie pomiarów przestrzeni, w której żyjemy i którą wypełnia nasz Wszechświat.

Wszyscy znamy ze szkoły podstawowej twierdzenie Pitagorasa: a2 + b2 = c2. To genialne w swojej prostocie równanie, odkryte już w starożytności, pozwala sprawdzić czy otaczająca nas przestrzeń jest Euklidesowa (płaska) czy też nie. To ważne dla nas filozoficzne pytanie, na które do tej pory trudno dać jednoznaczną odpowiedź. Dla naszych rozważań uprośćmy, że w płaskiej przestrzeni dwie linie równoległe nigdy się nie przecinają oraz wartość kąta prostego można sprawdzić za pomocą twierdzenia Pitagorasa. Na dzień dzisiejszy nasz Wszechświat, w dużej skali ma właściwości przestrzeni płaskiej (za wyjątkiem lokalnych zakrzywień w okolicach skupień materii i energii). Jakie to może mieć dla nas konsekwencje?

Rozważmy najpierw uproszczoną sytuację. Żyjemy na płaskiej, nieskończonej dwuwymiarowej płaszczyźnie. Pamiętajmy, że sami też jesteśmy dwuwymiarowi. Wypuszczamy z latarki promień światła w dowolnym kierunku. Leci on z prędkością światła w nieskończony obszar płaszczyzny i nigdy do nas nie powróci. Podobnie można przeprowadzić to doświadczenie w płaszczyźnie o trzech wymiarach i skutek będzie identyczny.

Kolejne przykłady będą dotyczyć innych przestrzeni - nieeuklidesowych, czyli niepłaskich, inaczej zakrzywionych. Tutaj analiza tego doświadczenia w trzech wymiarach będzie dla wielu osób utrudniona, dlatego skupimy się na zakrzywionej przestrzeni dwuwymiarowej. Załóżmy, że zakrzywienie płaszczyzny jest dodatnie, a jej sposób zakrzywienia powoduje powstanie np. sfery - idealnej powierzchni kuli. Teraz sytuacja z wysłaniem promienia świetlnego jest diametralnie różna. Promień „leci” wzdłuż zakrzywionej płaszczyzny i niezależnie w którą stronę go wypuścimy po pewnym czasie dotrze do miejsca skąd został wypuszczony. Po odbiciu od naszego ciała wróci tą samą drogą do nas i zobaczymy swoje własne plecy ! Gdyby zakrzywiona dodatnio przestrzeń tworzyła inne możliwe sfery (np. kształt gruszki, pączka) to efekt będzie identyczny, tylko przemieszczanie się promienia świetlnego będzie odbywało się różnymi drogami. Wyobrażenie sobie tej sytuacji w płaszczyźnie trzywymiarowej jest trudne, a tym bardziej w większej ilości wymiarów.

 

Przestrzeń zakrzywiona ujemnie jest dopełnieniem poprzednich dwóch przykładów i jej typowym kształtem dwuwymiarowym jest np. siodło. W tym wypadku przestrzeń tak ulega zagięciu, że jej „krańce” uciekają do nieskończoności, ale nie wzdłuż linii prostych jak w przestrzeni płaskiej. Wypuszczonego promienia światła również nie zobaczymy – nigdy do nas nie powróci.

Obecne wyniki badań przestrzeni całego naszego Wszechświata sugerują, że jest on płaski z bardzo dużą dokładnością pomiaru, jednakże wyłącznie w dużej skali. Lokalnie przestrzeń może zostać zakrzywiona w wyniku obecności masy lub energii. W szczególności zakrzywienie może sięgać nieskończoności (jak przypuszczamy) w obszarze czarnej dziury. Jest to szczególne miejsce przestrzeni nazywane osobliwością, bo znikają w tym punkcie normalne właściwości naszej przestrzeni i naszego fizycznego świata. Na razie nie potrafimy odpowiedzieć na pytanie, co faktycznie dzieje się w takim miejscu.

Zaginanie się przestrzeni sugeruje, że istnieje jakaś jej wewnętrzna struktura, która ulega zmianie. W jakiś sposób zmienia się miara odległości w tym obszarze, zmieniają się kąty i właściwość równoległości prostych. Zmienia się po prostu jego geometria. Skoro materia i energia (tworzące szczególną jedność zgodną z równaniem E=mc2 ) wpływają na właściwości przestrzeni, to może jednak ma ona jakąś ukrytą energetyczną emanację, której na razie nie potrafimy dostrzec? A jaki wpływ na właściwości przestrzeni ma czas, który zgodnie z teorią Einsteina jest nierozłącznym elementem czasoprzestrzeni Wszechświata?

Nasz umysł, nasza jaźń nie mogą żyć w pustej przestrzeni. Tacy jacy jesteśmy możemy istnieć tylko w obszarze wypełnionym energią i jej inną formą istnienia - materią. Czy jesteśmy w stanie zaobserwować i zrozumieć rzeczywistą postać struktury przestrzeni? (...)

Brzeg, listopad 2021

PRZESTRZEŃ (1)

01 listopada 2021

HOME

WROĆ DO BLOGA