Sprawa skali

Poznając prawa fizyki i dokonując różnych odkryć w drodze eksploracji moich wewnętrznych przeżyć, doszedłem do wniosku, że aby poznać pełny obraz dynamiki i mechaniki, które tworzą materialny świat i doświadczającego go obserwatora, model musi opierać się na nieskończonej zależności skal.

Odkryłem w sobie coś, co zdawało się być nieskończonym podziałem skal, niemożliwym do pogodzenia z koncepcją Wszechświata w formie bańki, który rozpoczął swoje istnienie od Wielkiego Bum, bez wyraźnego zrozumienia, co je wywołało, i skąd się tam wzięła ta cała materia, która wybuchła.

Pamiętam, że kiedy miałem mniej więcej siedem lat, wyjaśniono mi, że świat jest jak wielki powiększający się balon. Pierwsze pytanie, jakie mi się wtedy nasunęło, brzmiało: powiększający się w czym? Było oczywiste, że skoro Wszechświat się rozszerzał, to musiał rozprzestrzeniać się w innym wszechświecie, większym od tego, w którym jesteśmy. I jeśli ten również się rozszerza, to musi istnieć kolejny, jeszcze większy, itd. Nie było łatwego rozwiązania tej zagadki. Jedyną rzeczą, jaka miała sens, było to, że Wszechświat jest nieskończenie duży i nieskończenie mały, że żyjemy w kontinuum podziałów i że nasz świat został zdefiniowany przez prosty fakt zaobserwowania go z określonej skali.

Na przykład, gdyby ktoś doświadczał Wszechświata ze skali atomu albo subatomowej cząstki, jego obraz byłby diametralnie różny od postrzeganego przez człowieka. Gdyby taki ktoś powiększył się z rozmiarów atomu do rozmiaru człowieka, prawdopodobnie pomyślałby, że przeszedł do innego wszechświata albo że zmienił wymiary (co byłoby częściowo prawdą, ponieważ w rzeczy samej zmienił swoje rozmiary).

Takie właśnie myśli nachodziły mnie latami w różnej postaci. Zastanawiałem się jednocześnie, jak można by je we właściwy sposób wyrazić językiem fizyki? Czy w naszym świecie została już stworzona jakaś fizyka, która uwzględniałaby taką zasadę? Co więcej, czy te koncepcje były w zgodzie z liczącymi tysiące lat postępowymi poglądami filozoficznymi, mistycznymi i religijnymi?

Pierwsza wskazówka pojawiła się, kiedy będąc nastolatkiem uzmysłowiłem sobie istnienie przez niemal 100 lat rozbieżności w fizyce między matematyką i modelami opisującymi duże obiekty, które przewidują istnienie kontinuum dążącego do osobliwości i nieskończoności (równania pola Einsteina), a światem kwantów złożonym z atomów i cząstek subatomowych, który przewiduje funkcje liniowe stanów granicznych, dobrze zdefiniowane i o skończonych zachowaniach. Jednakże wielkie obiekty są zbudowane z małych. Jak w tej sytuacji Wszechświat może podlegać dwóm zupełnie różnym zestawom praw fizycznych? Jak może być on jednocześnie skończony i nieskończony?

Nauki wypływające z codziennych doświadczeń zdają się wskazywać na istnienie dobrze zdefiniowanych skończonych granic. Ostatecznie, wymiary naszego ciała zdają się być zdefiniowane przez coś, co wygląda na bardzo określoną skalę. To samo dotyczy krzesła, na którym siedzimy, oraz poręczy, której ktoś się trzyma czytając niniejszy artykuł w autobusie w drodze do pracy. Czyżby nieskończony Wszechświat nie posiadał definicji, żadnego wyraźnego sposobu identyfikowania granic ograniczających wszystko inne? Wszystko to było przez wiele lat przedmiotem moich kontemplacji, ale, co ciekawe, odpowiedź nadeszła z nieoczekiwanego źródła.

 

Zasada organizacji natury

Moje badania starożytnych cywilizacji ujawniły istnienie powtarzającego się tematu, który miał związek z geometrią i podstawowym ośrodkiem przenikającym wszystko, będącym wszechobecną, wszechwiedzącą zasadą organizacji natury. Następnie zacząłem szukać podobnych koncepcji w historii naszej fizyki i w dzisiejszej zaawansowanej fizyce, i znalazłem podobieństwa.

Po stronie geometrycznej znalazła się na przykład einsteinowska geometryzacja struktury czasoprzestrzeni. Z kolei matematyczna teoria fraktali przypomina wiele starożytnych koncepcji i symboli i dostarcza idealnej zależności pomiędzy nieskończonościami i warunkiem granicznym, jako że nieskończoną ilość granic można zawrzeć w skończonej granicy początkowej (skali, w której jest się obserwatorem). Jeśli chodzi o wszechobecną przenikającą wszystko energię, przyszła mi do głowy myśl, że sprawę może załatwić wszechobecna, intensywnie energetyczna próżnia kwantowego świata.

Być może przestrzeń pomiędzy wszystkimi molekułami i atomami, jaką obserwowałem na licu skały wewnątrz kryształu, którego kurczowo trzymały się moje ręce, przestrzeń pomiędzy naszą planetą i Słońcem, przestrzeń wewnątrz naszej galaktyki oraz pomiędzy galaktykami jest wypełniona a nie pusta. Być może przestrzeń jest wypełniona całą informacją wszystkich rzeczy w niej zawartych i stanowi łącznik między nimi. Ostatecznie, od nieskończenie wielkiej do nieskończenie małej przestrzeń jest zawsze obecna, jako że nawet nieskończenie mały atom zawiera 99,99999 procent przestrzeni. Być może to przestrzeń definiuje materię, a nie materialny świat przestrzeń.

A może materia jest jedynie rezultatem nieciągłości warunku granicznego samej przestrzeni, tak jak iteracje, które tworzą podział fraktali? Czy przestrzeń doświadcza samej siebie? Czy jesteśmy krańcowym przedłużeniem przestrzeni przyglądającym się samemu sobie i doświadczającym materii? Wydaje się, że tak właśnie sądził Einstein, na co wskazuje jego wypowiedź: „Fizyczne obiekty nie znajdują się w przestrzeni, ale są przestrzennie przedłużone. W ten sposób koncepcja «pustej przestrzeni» traci znaczenie”.

Jeśli przestrzeń jest ośrodkiem łączącym wszystkie rzeczy, zbierającym zewsząd informacje, aby się samoorganizować i tworzyć złożoność, jaką obserwujemy w naturze, to przestrzeń musiałaby być nieskończenie gęsta – nieskończenie gęstą informacją lub energią. Czy to jest możliwe i jeśli tak, czy są na to jakieś dowody? Sięgałem coraz bardziej w głąb fizyki, do eksperymentów, które przeprowadzono na przestrzeni niemal trzystu ostatnich lat i, w końcu, trafiłem na doniosłe odkrycie.

 

Gęstość energii próżni

Wygląda na to, że w świecie kwantów powstał problem, kiedy fizycy próbowali obliczyć gęstość energii oscylatora, takiego jak atom. Okazało się, że wciąż występowały wibracje, nawet gdy układ został sprowadzony do bezwzględnego zera, kiedy należało spodziewać się, że cała energia ulotniła się. Prawdę mówiąc, z równań wynikało, że nawet w próżni istniała nieskończona liczba fluktuacji energetycznych.

Aby to lepiej zrozumieć, fizycy zastosowali zasadę „renormalizacji”¹, wykorzystując fundamentalną stałą w celu ustalenia gęstości próżni. Graniczną wartością, której użyto, była odległość Plancka lub długość, którą nazwano na cześć uważanego za twórcę teorii kwantowej Maxa Plancka. Wartość ta uważana jest za najmniejszą z możliwych wibracji i wynosi 10^–33 centymetra oraz charakteryzuje się masą-energią rzędu 10^–5 grama.

Obliczono, ile malutkich objętości zawierających wibrację o długości Plancka może istnieć w centymetrze sześciennym przestrzeni. Ponieważ każda taka objętość/wibracja ma określoną masę, uzyskano gęstość masy-energii zawartej w centymetrze sześciennym przestrzeni. Wynik był oszałamiający! Gęstość energii próżni, którą można też nazwać gęstością Plancka, była rzędu 10⁹³ grama na centymetr sześcienny przestrzeni i została ochrzczona mianem „najgorszego proroctwa dokonanego przez fizykę” lub „próżniowej katastrofy”.

Aby uzmysłowić sobie skalę tej gęstości, proszę wyobrazić sobie, że gdyby całą materię obserwowaną dziś w naszym Wszechświecie, z jego miliardami galaktyk zawierającymi miliardy gwiazd, z których większość jest znacznie większa od naszego Słońca, umieszczono w centymetrze sześciennym przestrzeni, to masa takiego sześcianika wyniosłaby zaledwie 10⁵⁵ grama, co jest o 38 rzędów wielkości mniej od gęstości próżni. Wielu naukowców uważa, że ta liczba jest absurdalna i w rezultacie odeszła ona w zapomnienie. Dzisiaj już nawet nie wszyscy wykształceni fizycy wiedzą o jej istnieniu. Przez minione lata spotykałem się z ostrą krytyką ze strony fizyków, którzy nie byli świadomi jej istnienia albo odrzucali ją, wyraźnie ignorując tę największą ilość energii, jaką kiedykolwiek przepowiedziano.

Fluktuacje energii próżni są w tym momencie decydujące dla zrozumienia fizyki cząstki, ponieważ są one źródłem kreacji na poziomie atomowym, który jest zasadniczy dla naszego obecnego rozumienia fizyki.

W roku 1948 holenderski fizyk Hendrik Casimir obliczył i określił konfigurację, która umożliwiłaby eksperymentalne potwierdzenie istnienia energii próżni. Ustalił, że jeśli dwie płytki umieści się odpowiednio blisko siebie, tak aby wyeliminować z przestrzeni pomiędzy nimi dłuższe fale oscylacji próżni, wówczas na ich zewnętrznych powierzchniach wytworzy się większe ciśnienie niż na wewnętrznych i spowoduje dociśnięcie płytek do siebie. Kiedy obliczono odległość między płytkami, która umożliwiłaby wykonanie tego eksperymentu, okazało się, że jest ona rzędu kilku mikronów. To zadanie było niemożliwe do wykonania w roku 1948, ale stało się możliwe w latach 1990. Wynik tego eksperymentu okazał się zgodny z obliczeniami wykonanymi przez Casimira i w ten sposób dowiedziono, że energia struktury przestrzeni rzeczywiście istnieje.

 

 

Płytki Casimira (Źródło: http://commons.wikimedia.org)