Jasność i mrok. Światło i ciemność. Refleksja, zaduma, przemijanie i sens życia.
„W rysunkach Anny Kowalczyk-Klus (ur. 1948) gra kresek i plam, subtelnych i wyrazistych naświetleń i wycieniowań prowadzi walkę jasności z mrokiem. Ta pełna napięć sytuacja stanowi dla artystki moment refleksji i zadumy, czas rozmyślań o przemijaniu, sensie życia.”
Anna Kowalczyk-Klus: Pejzaż z krzyżem
Grafika Anny Kowalczyk-Klus jest ponura. Ponura jest nie tylko jej ciemność, ale także jej światło
Anna Kowalczyk-Klus, "Tajemnicze światło Śląska", akwaforta, 1974
Skąd ta ponurość u artystki? Komu ona potrzebna? Kontrast światła z ciemnością w samej rzeczy skłania nas do zadumy. Ale wszak na samej zadumie nie powinniśmy zakończyć. Potrzebna nam nie tylko zaduma ale i nadzieja. Bez nadziei następuje śmierć. Nadzieja to eliksir życia.
Wszak nie o sztuce i nie o filozofii chcę napisać. Chcę napisać i fizyce, o problemach grawitacji, kosmologii, o ciemnych, moim zdaniem (i nie tylko moim), fizyki interesach, a także o światełku nadziei. Światła bywają wszak też zwodnicze, zaproponuję więc, w kolejnych notkach, wybór pomiędzy różnymi światłami.
Współczesna kosmologia zaczęła się na dobre od rewolucji kopernikańskiej. Rozpoczął ją Mikołaj Kopernik w XVI wieku i dalej, przez następne 150 lat rozwijali idee Kopernika Johannes Kepler, Galileusz i Newton. Idee Kopernika nie spotkały się początkowo z entuzjastycznym przyjęciem. Potrzebny był wysiłek astronomów, najpierw Tycho de Brahe, później jego ucznia i asystenta, Keplera. Obserwacje Keplera skłoniły nas do porzucenia idei, że planety poruszają się po idealnych, boskich orbitach kołowych. Kepler wprowadził na dobre do astronomii orbity eliptyczne, ze Słońcem w jednym z dwóch ognisk elipsy. Opierając się na obserwacjach Kepler sformułował swoje drugie prawo:w każdym danym przedziale czasowym pozorna linia łącząca Słońce z planetą zakreśla takie samo pole. Prawa te pozwoliły Keplerowi na trafne przewidywanie orbit planet. Dziesięć lat później, około roku 1620, Kepler odkrył trzecie prawo:dla każdej planety kwadrat okresu jej ruchu orbitalnego jest proporcjonalny do trzeciej potęgi odległości planety od Słońca. Te prawa Keplera obowiązują po dzień dzisiejszy. Sam Kepler nie był jednak w stanie ich wyjaśnić, nie znał odpowiedzi na pytanie „czemu planety poruszają się właśnie w taki a nie w inny sposób?”
Do Keplera dołączył Galileusz. Ten zbudował teleskop i zaczął uważnie obserwować zjawiska na niebie. Zobaczył góry na Księżycu, stwierdził iż Droga Mleczna to skupisko gwiazd, widział cztery księżyce Jowisza, fazy Wenus, zainteresował się ruchem jako zjawiskiem i jego opisem. Ścieżką Galileusza podążył Isaac Newton – dopiero on był w stanie wydedukować trzy prawa Keplera z jednego prawa uniwersalnej grawitacji.
Sam Newton nie był jeszcze w stanie zrobić wielkiego użytku ze swej dynamiki w zastosowaniu do ruchu ciał niebieskich, nie znał bowiem ani masy Słońca ani wartości stałej grawitacyjnej G występującej w jego równaniu:
Dokonał tego dopiero Henry Cavendish. Gdy wartość stałej grawitacyjnej została zmierzona, na podstawie znajomości okresu i odległości planet można było już wyliczyć masę Słońca, a także wyliczyć masy tych planet, które posiadały widoczne przez teleskop księżyce. Gorzej było z planetami nie mającymi księżyców. Jednakże i masy tych planet dawało się wyliczyć poprzez analizę zaburzeń jakie ich ruch powodował w ruchu planet sąsiednich, Obserwując zaburzenia ruchu Urana wydedukowano, w roku 1846, istnienie planety Neptun, a gdy można już było zobaczyć i Neptuna, odkryto, w roku 1930, na podstawie dokładnych obserwacji zaburzeń jego ruchu – istnienie Plutona.
Ciemnym punktem na horyzoncie był jednak wciąż nie dający się wytłumaczyć prawami Newtona ruch planety najbliższej Słońcu – Merkurego. Znakomita większość jest zdania iż sprawa ruchu Merkurego została definitywnie wyjaśniona przez Ogólna Teorię Względności (OTW) Einsteina. Piszę celowo „znakomita większość”, istnieje bowiem nie mniej znakomita mniejszość podważająca opinię większości i proponująca alternatywne wyjaśnienia. Tak czy siak znakomita większość uznała OTW Einsteina za powszechnie obowiązującą. I tak doszło do wprowadzenia do fizyki, astrofizyki i astronomii ciemnej materii.
W artykule „A brief history of dark matter” (w zbiorze „The Dark Universe. Matter, Energy and Gravity”, Mario Livio ed., Cambridge University Press 2003) Vera Rubin, członek Papieskiej Akademii Nauk, pisze tak:
„Pomimo tytułu, nie jest to historia ciemnej materii. Dopóki bowiem nie wiemy czym jest ciemna materia, nie możemy znać jej historii.”
No tak, ale możemy coś powiedzieć o historii samej idei „ciemnej materii”, przynajmniej na tyle, na ile dotyczy to dzisiejszej modnej astrofizyki i kosmologii.
Rzecz zaczęła się od pomiarów prędkości obrotu gwiazd wokół centrów galaktyk spiralnych. Przypuśćmy iż z jakiegoś powodu nasze Słońce ściemniało i zgasło – przestaliśmy je widzieć. Mimo to bylibyśmy w stanie wydedukować, na podstawie praw grawitacji, jego istnienie i masę - gdybyśmy tylko znali orbity planet. W podobny sposób astronomowie są w stanie wydedukować prędkości z jakimi gwiazdy winny się obracać wokół centrum galaktyki spiralnej. Prawa grawitacji Newtona, a dodanie OTW niewiele tu zmienia, prowadzą do wniosku, że czym dalej gwiazdy znajdują się od centrum galaktyki, tym wolniej winny względem tego centrum się obracać. A jednak obserwacje astronomiczne wykazały, że tak nie jest –prędkość ruchu obrotowego się ustala i nie chce maleć tak, jak przywiduje to powszechnie obowiązująca teoria grawitacji.
Chyba, że .... no właśnie, chyba, że jest o wiele więcej materii w galaktyce niż to widzimy licząc gwiazdy. Chyba, że ta niewidzialna materia obecna jest wszędzie i jest jej naprawdę sporo. A co to znaczy „sporo”? Początkowo szacowano tego na ok. 50%.Dziś spekuluje się, że 95% interesów astrofizyki to interesy ciemne. Ciemna materia, ciemna energia, ciemne sprawki. Anegdota głosi, że w Średniowieczu scholastycy liczyli ile aniołów zmieści się na główce od szpilki. Anegdota podobno nie odpowiada prawdzie. Prawdą jest jednak iż astrofizycy liczą dziś ile ciemnej materii znajduje się pomiędzy Ziemią a Słońcem. Jednemu wyjdzie to, innemu co innego, i nic w tym dziwnego, bowiem są to czyste spekulacje oparte w znacznej mierze na wyssanych z palca założeniach a nawet na błędach w obliczeniach.
Coraz większa liczba fizyków i astrofizyków zaczyna poszukiwać alternatywnych wyjaśnień anomalnych zachowań ciał w kosmosie, bo krzywe obrotowe w galaktykach spiralnych to tylko jeden przykład takich zjawisk. O anomalnych zachowaniach sond kosmicznych wysłanych przez człowieka z Ziemi pisałem w jednej z poprzednich notek.
Czy istnieją sensowne alternatywy? Czy jest nadzieja? A jeśli alternatyw jest kilka, to która z nich wygląda na najbardziej obiecującą? Która z nich ma szanse na stanie się światłem przewodnim wiodącym w świetlaną przyszłość? O tym w kolejnych notkach.
