Zapaść i termodynamika
Skoncentrujmy sie na aspekcie termodynamicznym zapaści grawitacyjnej, w kontekście doświadczenia myślowego z poprzedniej notki. Zadać można prowokacyjne (w swej retoryczności) pytanie: „Jeśli temperatura początkowa układu równa jest zeru bezwzględnemu, to, czy jego grawitacyjne kurczenie koniecznie musi powodować nagrzewanie się?” Możliwa jest, przynajmniej myślowo, by nie powiedzieć: teoretycznie, opcja zapadania się przy zachowaniu zera bezwzględnego. W związku z tym miałaby miejsce wyłącznie zmiana masy grawitacyjnej. Byłby to układ niechaotyczny, w którym istnieje tylko i wyłącznie ruch uporządkowany. Byłby to układ „zamrożony” w swym uporządkowaniu. Pod mikroskopem mielibyśmy molekuły pędzące po liniach idealnie prostych do samego centrum (przynajmniej w wyobraźni). Czy takie coś może istnieć w przyrodniczej rzeczywistości? Pełne uporządkowanie w kompletnej izolacji czyniłoby zero bezwzględne realnością. Jednak rzeczywisty świat, opisywany zupełnie dobrze przez (fenomenologiczną) termodynamikę, jest inny. W nim osiągnięcie zera bezwzględnego nie jest realne. "Zero bezwzględne" wyraża właściwie tylko nieosiągalny praktycznie stan idealnego porządku, którego istnienia nie może wykluczać żadne (podstawowe) prawo przyrody. Drgania zerowe przewidywane przez mechanikę kwantową, to też porządek.
A w aspekcie kosmologicznym? Wysunąć można hipotezę, że nieosiągalność zera bezwzględnego jest wtórną konsekwencją powszechnego nieuporządkowania, które, uwaga, pojawiło się w bardzo wczesnej fazie Wybuchu, w wyniku przemiany fazowej. Tak ja to widze. Zdyssypowało wówczas bardzo dużo energii. Z tego powodu istnieje termodynamika. Część tej zdyssypowanej energii poszło też na utworzenie oddziaływań wtórnych: elektromagnetycznego, słabego i silnego, których istnienie, w nieprzeliczalnej mnogości kształtujących się wówczas cząstek i wielkiej koncentracji materii, musiało być czynnikiem chaosotwórczym, prowadzić do rozwijania się procesów o charakterze stochastycznym. Równocześnie jednak oddziaływania te, na poziomie struktury wprowadzają określony porządek. Za jego odkrycie chwała mechanice kwantowej. Na samym początku jednak, był ład i porządek (a nie chaos, jak się dziś sądzi). Entropia była minimalna, a nawet zerowa.
W kontekście tej dyssypacji, zaciekawienie wzbudza kwestia podziału energii. Nader interesujące jest to, jaką część łącznej energii, powiedzmy, że ciała, ogólnie materii, stanowi "energia termodynamiczna", energia chaosu, wraz z energią zawartą w oddziaływaniach wiążących strukturalnie materię (w skali "obserwable"); to znaczy, ile energii należałoby odebrać ciału (jednostkowej jego masie), ogólnie rzecz biorąc, by jego temperatura spadła do zera bezwzględnego (i do zniknięcia oddziaływań niegrawitacyjnych). Chodzi oczywiście o energię pochodzącą z dyssypacji w pierwszych chwilach WW. Czy pozostałaby wyłącznie energia grawitacyjna? Tak by mogło wynikać. Nie istniałyby wówczas także kwantowe drgania zerowe, nie byłoby też "klasycznej" sieci krystalicznej, za której istnienie odpowiedzialne są przecież oddziaływania elektromagnetyczne. Byłby to "monokryształ" uformowany przez dualną grawitację. Kryształ czego? Co stanowiłoby węzły tego kryształu? Maksymony lub ich układy? Jakie układy? Czworościanowe, maksymonowe komórki elementarne (było już o tym)? "Geny" cząstek nam znanych? Kwarki? Ponawiam pytanie: Ile energii należałoby odebrać... Tu warto zauważyć, że wielkość ta powinna być jednakowa dla całej materii Wszechświata, jeśli pochodzi ona z tego samego Wielkiego Wybuchu. Czy możliwe jest, choćby teoretycznie, obserwacyjne potwierdzenie tej tezy? W każdym razie mamy jakiś ślad.
W związku z tym niech nie dziwi jeszcze jedna hipoteza. Wypromieniowywana energia (w postaci promieniowania elektromagnetycznego) podczas kurczenia się rzeczywistego obiektu, a także znaczna część jego energii wewnętrznej w każdym stadium ewolucji (na przykład gwiazdy), byłaby jakąś częścią właśnie tej energii, która rozproszyła się podczas przemiany fazowej, kończącej ultrarelatywistyczną ekspansję ("Urela") zapoczątkowującą Wielki Wybuch; nie zaś energią "produkowaną" w wyniku zapaści grawitacyjnej. Właśnie podczas tej przemiany fazowej pojawiły się oddziaływania wtórne (w stosunku do grawitacji) i cząstki nam znane. Pojawił się też chaos. Tak to mi się widzi. Tę przemianę fazową, w skrócie opisałem w którejś z notek i chyba w którymś z komentarzy. Można więc sądzić, że gdy mowa o promieniowaniu zapadajacego sie ciała, mimo wszystko nie chodzi o energię pochodzącą z grawitacji, jak to się powszechnie sądzi. Herezja? A niech tam. To "nagrzewanie" nie dotyczy więc grawitacji. Wzrost temperatury przy zapaści grawitacyjnej (moim skromnym i aktualnym zdaniem) nie jest spowodowane przez grawitację (celowo powtarzam, by nie myślano, że się przejęzyczyłem).
Każdy rzeczywisty obiekt posiada energię wewnętrzną. Od kiedy? Już pisałem. Pozbyć się jej (w całości) niesposób. Podczas grawitacyjnego zapadania się, na przykład gwiazdy, molekuły, cząstki tworzące układ, przyśpieszają, też w ruchu chaotycznym. Ale ten chaotyczny ruch istnieje niezależnie od tego, jaka jest grawitacja w danym miejscu i czy w ogóle ma jakiekolwiek znaczenie jako grawitacja dla materialnego dziania sie. Po prostu przy kurczeniu się układu (możemy traktować go jak gaz), wzrasta gęstość, ciśnienie, a wraz z tym temperatura. W odniesieniu do układu dwóch punktów materialnych, gdy oddziaływując grawitacyjnie zbliżają sie do siebie, z cała pewnościa nie stanowią one układu termodynamicznego. Także nie stanowią źródła jakiegokolwiek promieniowania.
A jeśli jest ich więcej, niezliczona mnogość, to czy automatycznie musi być termodynamika? Bo to układ chaotyczny? Nawet jeśli roboczo przyjmiemy, że przed miliardami lat nie miała miejsca przemiana fazowa? Jak wiemy, już układ trzech ciał opisać raczej dosyć trudno..., a co dopiero nieprzeliczalną mnogość... Po prostu chaos...wraz z zerem bezwzglednym? A może mimo wszystko także grawitacja (nie tylko oddziaływania wtórne) ma jakiś wpływ na wielkość parametrów stanu (termodynamika)? Wbrew temu, co przed chwilą z przekonaniem twierdziłem? A może na pewnym poziomie koncentracji materii dochodzi (stopniowo) do unifikacji oddziaływań wtórnych z grawitacją? Widocznie (by ratować twarz...) w skutek istniejącego (tego się nie da ukryć) chaosu, nie jest możliwe absolutne odseparowanie grawitacji od tego, co wniosła, kiedyś u zarania, dyssypacja energii kinetycznej nadświetlnej ekspansji (Urela) – podczas przemiany fazowej. A chaos musiał wtedy powstać, już choćby dlatego, gdyż nawet układ trzech ciał... Poddanych w dodatku "nastrojom" wszystkich trzech oddziaływań wtórnych, w związku z bardzo dużą koncentracją materii, jednak szybko malejącą, w ułamek sekundy po starcie WW. Taki rozwój był fizyczną koniecznością. Pękł kryształ panelsymonu (patrz jedną z poprzednich notek).
Na rzecz można też spojrzeć inaczej. Ogólnie rzecz biorąc, istnieje problem związany z niespójnością jak najbardziej słusznych praw termodynamiki (niemalenie entropii) z deterministycznymi prawami dynamiki (nie mniej słusznymi), jednak symetrycznymi względem strzałki czasu. Problem ten znany jest w postaci paradoksu Loschmidta. A tak wracając do naszego doświadczenia myślowego (patrz poprzednia notka)... molekuły poruszają sie po liniach prostych i nie przeszkadzają sobie, gdyż wypadkowa siła działajaca z boku równa jest zeru. W realnym Wszechświecie wypadkowa siła (kosmologiczna, a nie lokalna) działajaca na każdy obiekt równa jest zeru, zgodnie z zasadą kosmologiczną. Samo doświadczenie chyba miało więc jakąś rację bytu, choć po nim, jak już stwierdziłem, stawianie kropki nad i nie byłoby uzasadnione. Postęp polega nie tyle na ogłaszaniu ostatecznych werdyktów, co na zaistnieniu podstaw dla kolejnych, nowych pytań.
A teraz, na zakończenie, z trochę innej beczki. By zamknąć krąg (może cyrk) obliczmy potencjał pola grawitacyjnego na powierzchni horyzontu grawitacyjnego, oczywiście bazując na opisie newtonowskim.
Potencjał centralnego pola grawitacyjnego w danym punkcie wyraża wzór:
Promień grawitacyjny wyraża się wzorem:
Podstawiając otrzymujemy:
Proszę porównać ten wzór ze wzorem z poprzedniej notki. Promień grawitacyjny zyskał jakby nowy sens.
Nie mniej proste obliczenia (zbyt proste, jak na gust nieprzywykłych do prostoty) dają ten sam wzór na potencjał grawitacyjny Wszechświata w każdym punkcie, wszędzie, zgodnie z zasadą kosmologiczną.
Czego indykacją jest to? Czy tego, że żartuję?
