Czy światło może być smutne? Czy może być wesołe? Czy też przymiotniki smutny i wesoły dotyczą tylko stanu psychicznego i emocjonalnego naukowców światło badających? Otóż światło może być smutne. Może być zimne i może być gorące. A naukowcy badający światło mogą mieć powody by się na światło i jeden na drugiego gorąco oburzać i wkurzać.
Popatrzmy na tego astrofizyka, kosmologa z University of California, Berkeley, Laureata Nagrody Nobla w dziedzinie Fizyki z przed trzech lat:
Nie wygląda na smutnego, choć jego nazwisko George Smoot (wymawiaj „smut”) mogłoby wskazywać na coś innego. A jednak powinien być smutny, bo inny astrofizyk, Ned Wright, z University of California, Los Angeles, pisze publicznie iż Smoot kłamie:
„
how can Smoot (see Horgan, July 1992 Scientific American, pp 34-41)[1] and the LBL press office maintain that Smoot discovered the dipole? It's a lie, so make it a big lie! „
Jak może Smoot, i biuro prasowe LBL utrzymywać, że Smoot odkrył dipol? To jest kłamstwo, i to wielkie kłamstwo – pisze Wright.
Nie jest więc smutno. Jest wesoło. Nauka jest żywa, bo żywi są naukowcy! Skoro Smoot nie leci do sądu z pretensjami o zniesławienie, coś w tym co twierdzi Wright może być, tak się przynajmniej wydaje. Nie nam rozstrzygać, choć możemy mieć osobiste opinie, bardziej lub mniej uzasadnione, zależnie od posiadanej wiedzy. Bo diabeł ukrywa się w dipolowych i kwadrupolowych szczegółach. A na to, że Komitet Nobla lubi coraz częściej żartować sobie jest z każdym rokiem więcej przesłanek.
Ale o jaki dipol chodzi? I co ma to wszystko wspólnego z moją poprzednią notką i z Eine? A ma!
Różne są hipotezy co do początku i natury wszechświata. Aktualnie najpowszechniejsza jest hipoteza Wielkiego Wybuchu. Skąd się wzięła materia? O tym fizycy niechętnie się wypowiadają, ale jak już się wzięła – to wybuchła i dzisiaj jesteśmy świadkami tego wybuchu konsekwencji. Jedną z takich konsekwencji jest odkryte trochę przez przypadek promieniowanie mikrofalowe – szum na mikrofalach dochodzący niemal równomiernie ze wszystkich kierunków w kosmosie. Szum ten jest raczej słaby i do jego analizy potrzebne są precyzyjne przyrządy.
Ale po kolei. Był rok 1927. George Henri Lemaître, fizyk a także katolicki ksiądz odkrywa niezależnie kosmologiczne rozwiązanie równań ogólnej teorii względności Einsteina, rozwiązanie, które parę lat wcześniej badał Rosjanin, Friedman. Rozwiązanie to opisuje jednorodny i izotropowy, rozszerzający się Wszechświat równomiernie wypełniony materią. Rozwiązanie to ma punktową osobliwość na „samym początku”, gdy Wszechświat był jedynie punktem a gęstość materii była nieskończona – to punkt Wielkiego Wybuchu. Nie wykluczone, że jako, że Lemaître był katolickim księdzem, Einstein nazwał znalezione przez Lemaître'a rozwiązanie „obrzydliwym”. Sir Arthur Eddington miał jednak poglądy różne od poglądów wielkiego Alberta i, choć sam zbytniej uwagi do modelu rozszerzającego się wszechświata nie przykładał, dzięki niemu praca Lamaitre'a została przetłumaczona z francuskiego na angielski, co zapewniło jej większy obieg.
Minęło ponad dziesięć lat i na scenę wkroczył fizyk George Gamow, z pochodzenia Rosjanin, który osiedlił się w USA. Gamow miał rosyjski temperament. Miał różowego odkrytego Cadillaca, lubił gry hazardowe i dobre Martini. Wraz z młodym współpracownikiem, Ralphem Alpherem zaczyna badać możliwe reakcje chemiczne i jądrowe we wczesnym, gęstym wszechświecie i w roku 1948 wspólnie publikują pracę „The origin of chemical elements” - jak powstawały znane nam pierwiastki. Praca rosyjskie poczucie humoru, dopisuje jako współautora tej pracy znanego fizyka, specjalistę od fizyki jądrowej, Hansa Bethe – żeby pierwsze litery autorów układały się w pierwsze litery alfabetu greckiego – alfa, beta, gama. Jest raczej wesoło niż smutno. Nieco później Alpher wraz z innym młodym fizykiem, Robertem Hermanem, dochodzą do wniosku, że reakcje we wczesnym wszechświecie musiały wyzwolić wielkie dozy promieniowania, które nie mogło zniknąć, musi zatem gdzieś być i dzisiaj – jako promieniowanie szczątkowe. Lecz co to jest promieniowanie?
W naszym przypadku chodzi o promieniowanie elektromagnetyczne. Fizycy utożsamiają światło z rodzajem takiego promieniowania. Promieniowanie szczątkowe z Wielkiego Wybuchu winno się wiec objawiać jako światło, tyle że odbierane w zakresie niskich częstości – przy pomocy anten radiowych. W wyniku reakcji, oddziaływania materii ze sobą, materii z promieniowaniem itd. światło szczątkowe winno mieć charakterystyczny rozkład częstości – jak dla ciała „doskonale czarnego”. Ciało doskonale czarne to idealizacja teoretyczna, to ciało, które niczego nie odbija, wszystko pochłania, na wszystkich długościach fali. Widmo promieniowania takiego ciała tzn. intensywnośc promienia w zależności od długości fali wypromieniowanego światła, zależy jedynie od jego temperatury. Na wykresie wygląda to tak (wziąłem z Berkeleyowskiego kursu fizyki kwantowej Wichmanna):
Na osi poziomej mamy długość fali a na osi pionowej intensywność promieniowania w tej długości fali (tzn. energię promieniowania na jednostkę czasu, jednostkę powierzchni i jednostkę długości fali).
Krzywe te opisywane są nieco skomplikowaną formułą – można się jej przyjrzeć:
Występują w niej m.in. stałe uniwersalne: prędkość światła w próżni c, stała Plancka h, stała Boltzmanna k. W Wikipedii znaleźć można formułę nieco inną, ale to dlatego, że w Wikipedii podaje się intensywność na jednostkę częstości a nie na jednostkę długości fali. Można tak i można tak.
Pomimo skomplikowanej formuły związek długości fali o maksymalnej intensywności z temperaturą ciała doskonale czarnego jest prosty – zachodzi odwrotna proporcjonalność. Czym niższa temperatura tym większa długość fali dającej maksimum intensywności, tym niższa częstość:
Promieniowanie z kosmosu, interpretowane jako szczątki wielkiego wybuchu i reakcji tuż po nim następujących dociera do nas w postaci szumu odpowiadającego częstościom mikrofalowym. Oficjalnie zostało odkryte przez radioastronomów Penziasa i Wilsona z Bell Labs w roku 1964. Piszę „oficjalnie”, bo, co normalne, i w tym przypadku pierwszeństwo jest dyskutowane. Tak czy siak Penzias i Wilson bawili się radioteleskopem na wzgórzach Holmdel w New Jersey i ich anteny odbierały niezidentyfikowany szum jakkolwiek by ich nie kierowali.
Analiza spektralna intensywności tego słabego szumu wykazywała kształt charakterystyczny dla ciała doskonale czarnego w okolicach długości fali 2 mm – jesteśmy zatem w obszarze mikrofal. Po analizie spektralnej okazało się, że widmo tego szumu odpowiada w przybliżeniu widmu promieniowania ciała doskonale czarnego o temperaturze ok 3 stopnie Kelwina- to bardzo zimne światło! Jak to odkrycie niezidentyfikowanego pierwotnie szumu z kosmosu zostało powiązane ze szczątkowym szumem z ery tuż po Wielkim Wybuchu, przewidzianym prze Gamowa i jego ucznią – to długa i dramatyczna historia, która tu ominę, jest bowiem dość znana i opisana. Dość powiedzieć, że pomiary intensywności promieniowania mikrofalowego, i tego jak zależy ona od kierunku, stały się modne.
Scena druga.
W roku 1971 ukazała się znana monografia P.J.E. Peeblesa „Physical Cosmology”. Oto jej fotka z mojego stołu:
Na stronie 147 tej monografii mamy rozdział p.t. „The Aether drift experiment”:
Przetłumaczę ten fragment na język polski choćby po to by jeden z komentatorów mojej poprzedniej notki, ten który moje stwierdzenie iż:
„"Obserwatorzy mierzą "temperaturę" promieniowania mikrofalowego i ta wykazuje nieizotropowość , co wskazuje na istnienie uprzywilejowanego układu odniesienia w skali kosmicznej. Układ związany z Ziemią takim układem nie jest a to dlatego, że poruszamy się względem układu uprzywilejowanego."
skomentował tak:
„temperatura nie jest wielkością zależną od stanu kinematycznego obserwatora. Kiedyś tak twierdził Tolman, ale jego próba relatywistycznej termodynamiki (mam w domu ten tom z "dylatacją " temperatury dla róznych obserwatorów)została obalona punkt po punkcie.Zagogluj "relativistic thermodynamics" a przekonasz się.
W fizyce nie stosuje się relatywistycznego wzoru na temperaturę ciała. „
Tym samym nasz komentator wykazał niezrozumienie problemu i to problemu dość podstawowego. Co zatem pisze Peebles w tym ciekawym fragmencie zatytułowanym „Eksperyment z dryfem w eterze”.
Pisze tak:
„Promieniowanie mikrofalowe dostarcza nam układu odniesienia, bowiem może wydawać się izotropowym przy jednym jedynie uprzywilejowanym ruchu – obserwator poruszający się względem tego uprzywilejowanego układu stwierdzi, że promieniowanie z kierunku w którym się porusza będzie jaśniejsze niż średnia, zaś promieniowanie z kierunku przeciwnego słabsze.”
Dalej Peebles wyjaśnia dokładniej co pod tym dość nieprecyzyjnym stwierdzeniem należy rozumieć. Pisze:
„Przyjmując, że jesteśmy w morzu promieniowania o charakterystyce ciała doskonale czarnego z temperaturą T0, jest rzeczą prostego ćwiczenia z przekształceniami Lorentza wykazanie, że obserwator poruszający się z prędkością v względem uprzywilejowanego układu odniesienia i obserwujący promieniowanie pod kątem theta względem wektora prędkości, zobaczy widmo promieniowania ciała doskonale czarnego o temperaturze – [patrz wzór z oryginału]. Dopasowując mierzoną temperaturę jako funkcję kierunku do formuły (39) można zatem wyznaczyć kierunek i wartość naszej szczególnej prędkości.”
Dalej, na następnej stronie, Peebles przezornie dodaje:
„Trzeba pamiętać o tym, że eksperyment ten nie przeczy względności, bowiem określamy w nim jedynie naszą prędkość względem promieniowania.”
Peebles dyskutuje następnie dotąd (do roku 1971) przeprowadzone badania i dochodzi do wniosku, że nasza Ziemia, wraz z układem słonecznym, dryfuje względem uprzywilejowanego przez promieniowanie mikrofalowe układu odniesienia z prędkością ok 300 km/sec w określonym kierunku. Kierunek ten nazywa się „kierunkiem dipola”. W oszacowaniach Peeblesa, ze w względu na niedokładności pomiarowe w tym czasie dostępne, obarczone były dość dużą (szacunkowo rzędu 50%) niepewnością. W roku 1976 Corey i Wilkinson dokonali pomiarów przy użyciu sondy balonowej. Otrzymali dla prędkości Układu Słonecznego oszacowanie 270+/-70 km/sec w kierunku mniej więcej konstelacji Lwa, oddalając się od konstelacji Wodnika. Dziś prędkość tę szacujemy na 627 /+- 22 km/s.
Rys. 3. Anizotropia dipolowa zmierzona w trakcie lotów U-2 (1976). U góry: pokrycie nieba przez pomiary podczas lotów U-2 na półkuli północnej i południowej. U dołu: mapa dipolowa uzyskana z pomiarów U-2. Plama w pobliżu konstelacji Lwa (Leo) wskazuje nadwyżke o wartości +3,5 mK nad centralna wartością temperatury, a obszar w Wodniku (Aquarius) ma niedomiar −3,5 mK
Podczas gdy większość fizyków przyjmuje wykrycie naszego dryfu względem uprzywilejowanego kosmicznego układu odniesienia tak jak Peebles – podkreślając, że odkrycie to nie narusza szczególnej teorii względności, inni wykazują, żeniezmienniczość względem transformacji Lorentza, stanowiących podstawę Szczególnej Teorii Względności, mogła zostać złamana już we wczesnym okresie Wszechświata i że może to mieć poważne konsekwencje dla fizyki. Zainteresowanych odsyłam do niedawno opublikowanej pracy „Experiment for Testing Special Relativity Theory„, której autorami są L.I. Govor, G.A. Kotel'nikov, E.A. Meleshko, G.V. Yakovlev z Instytutu Kurczatowa. Warto zajrzeć tam do obszernej bibliografii dotyczącej interesującego nas problemu.
Powróćmy teraz do problemu głównego – dlaczego światło się smuci, ciemnieje lub na odwrót, radośnieje, zależnie od kierunku i prędkości naszego ruchu? Odpowiedzialny za to jest efekt Dopplera, który zobrazować można prosto graficznie:
Akustyczny efekt Dopplera znamy z własnego doświadczenia – ton gwizdu pociągu zależy od tego czy pociąg się do nas zbliża czy oddala – jakby fale zostawały ściskane lub rozciągane.
Podobny efekt odpowiedzialny jest za to, że obecnie widzimy promieniowanie tła raczej smutne (tylko 3 stopnie powyżej zera absolutnego!):
a także za anizotropię wywołaną niezwykle szybkim ruchem Układu Słonecznego względem uprzywilejowanego układu odniesienia:
W samej rzeczy jest jeszcze smutniej (albo weselej, zależnie od stanu równowagi psychicznej). Skoro znamy dziś wektor prędkości Układu Słonecznego względem promieniowania, możemy ją uwzględnić i przedstawić dane w uprzywilejowanym układzie – wtedy intensywność promieniowania powinna już być niezależna od kierunku. Powinna być, ale nie jest! Płaszczyzna prostopadła do wektora dipola pokrywa się niemal dokładnie z płaszczyzną ekliptyki. W kierunkach prostopadłych do osi dipola, zatem w płaszczyźnie ekliptyki, intensywność promieniowania mikrofalowego powinna być, z lokalnymi wahaniami, niezależna od kierunku. Ale nie jest. I tam pojawia się wyróżniony kierunek. Nazwano go, żartobliwie, osią zła. Przyroda jest zła bo płata nam figle, przysparza kłopotów teoretykom.
Oś zła.
Nikt nie ma przekonującego wyjaśnienia tego zjawiska, dane z obserwacji są wciąż jeszcze niepewne.
W ostatnich zdaniach rozdziału o Wielkim Wybuchu i dryfie w eterze Peebles pisał:
„Nie ma żadnej poważnej alternatywy dla hipotezy ekspansji. To prawda, że dyskutuje się zmęczenie światła, ale nikt nie zna procesów fizycznych które mogły by dawać podstawy dla takiej hipotezy. Istnieje alternatywa dla hipotezy Wielkiego Wybuchu ... ale są trudności z dopasowaniem modelu do danych.”
Tak było w roku 1971, a jak jest dzisiaj? Dzisiaj fizycy i astrofizycy wykłócają się, jedni drugich nazywają kłamcami, modeli i hipotez jest więcej niż kiedykolwiek przedtem. Różne szkoły zwalczają się wzajemnie i każda wskazuje na błędy popełniane przez inną szkołę.
„Niektóre z wyników kosmologii obserwacyjnej dają powody do krytycznych wątpliwości co do podstaw standardowej kosmologii, ale większość kosmologów się tym nie przejmuje. Alternatywne modele kosmologiczne różniące się od Wielkiego Wybuchu zostały opublikowane i obronione przez heterodoksyjnych naukowców, jednak większość kosmologów nie zwraca na to uwagi. Może tak być dlatego, że standardowa teoria jest poprawna zaś inne idee oraz krytycyzm standardowej teorii są niesłuszne. Może tak być jednak i z innego powodu jak socjologiczne zjawisko 'śnieżnej kuli' (snowball effect) i 'myślenia grupowego' (groupthink). Można się zastanawiać czy kosmologia, badanie Wszechświata jako całości, jest nauką podobną do innych dziedzin fizyki, czy może jest jest jedynie dominującą ideologią.”
Podsumujmy:
-
Dociera do nas szum z kosmosu na falach milimetrowych
-
Szum ten jest słaby i ma charakterystykę zblizona do charakterystyki ciała doskonale czarnego o temperaturze ok. 3 stopnie Kelwina
-
Intensywność i charakterystyczny kształt widma tego szumu w przybliżeniu nie zależy od kierunku z którego szum odbieramy
-
Jednak dokładniejsze badania wykazują, że wyróżniony jest pewien kierunek, mniej więcej prostopadły do płaszczyzny ekliptyki
-
Interpretujemy to jako wynik niezwykle szybkiego ruchu Układu Słonecznego względem uprzywilejowanego w kosmosie układu odniesienia – eteru kosmicznego. Obserwowana efektywna temperatura zależy od kierunku i prędkości naszego ruchu poprzez relatywistyczny efekt Dopplera.
-
Pojawia się jednak także druga wyróżniona oś – w płaszczyźnie prostopadłej do kierunku naszego ruchu względem eteru. To oś zła.
-
Wyjaśnienie tego faktu przysparza kłopotów kosmologom.
Jak można próbować oś zła wyjaśnić? Może jest to oś względem której Kosmos wiruje – jak to spekulował Godel? Wtedy podróże w czasie byłyby możliwe. A jak jest w samej rzeczy? Czas pokaże.
