Myślisz, że stoisz w miejscu? Mylisz się. Wszystko się kręciPiotr Cieśliński
Jeśli wydaje ci się czasem, że świat zwariował i mknie jak szalony, to masz rację. Wirują Ziemia i Księżyc, planety obracają się wokół Słońca, a i sama gwiazda nie pozostaje w bezruchu, tylko kręci się wokół własnej osi...
To opętańcze wirowanie w Układzie Słonecznym to jeszcze nie wszystko, bo Słońce wraz z Ziemią i pozostałymi planetami porusza się dookoła olbrzymiej czarnej dziury, która znajduje się w centrum Drogi Mlecznej. Naszą galaktykę okrążają zaś niczym chmara much mniejsze galaktyki karłowate, a razem stanowimy mały trybik w kole zamachowym całej lokalnej grupy galaktyk.
O ile nam wiadomo, wszystkie asteroidy, księżyce, planety, gwiazdy, galaktyki i gromady galaktyk we Wszechświecie tańczą wiecznego oberka. Jeszcze nie dostrzeżono takiego odmieńca wśród ciał niebieskich, który by się nie kręcił niczym pies goniący za własnym ogonem.
Co ciekawe, w naszym bezpośrednim sąsiedztwie ten ruch jest wyjątkowo zgodny. Wszystkie planety obiegają Słońce w tej samej płaszczyźnie, w tym samym kierunku i wirują - patrząc z góry - przeciwnie do ruchu wskazówek zegara. Z wyjątkiem Wenus. Ta obraca się w drugą stronę, a więc wschód Słońca następuje tam na zachodzie i na odwrót. To wyjątek, który potwierdza regułę. Wenus - jak sądzą naukowcy - mogło spotkać coś przykrego we wczesnym dzieciństwie. Jakiś kataklizm spowodował całkowite odwrócenie osi obrotu. Uran także został mocno trącony, bo teraz jego oś obrotu jest przechylona niemal pod kątem 90 stopni.
Jaka to jednak reguła każe prawie wszystkim planetom wirować i kręcić się tak podobnie? Przyczyny są dwie, fundamentalne. Pierwszą jest grawitacja, drugą - symetrie praw przyrody. A ponieważ symetrię zwykle kojarzymy z pięknem, można by rzec, że świat się kręci, bo jest... piękny.
Ale zacznijmy od grawitacji.
Co wspólnego ma z tym grawitacja
Widzieliście łyżwiarkę kręcącą piruety na lodzie? Gdy rozkłada ramiona, to zwalnia, a kiedy je ściąga do siebie, wiruje szybciej. Na podobnej zasadzie rozpędzają się wszelkie wiry kosmiczne. W tym wypadku rolę mięśni ściągających ramiona odgrywa siła ciążenia, która zawsze stara się wszystko ściągnąć, skoncentrować i zebrać do kupy.
Każdy układ planetarny powstał kiedyś z obłoku gazu międzygwiazdowego, który pod wpływem grawitacji zaczął się kurczyć, a zmniejszając swoją objętość, jednocześnie się zagęszczał. My żyjemy teraz na jednym z takich zagęszczeń zwanych Ziemią, w innym zagęszczeniu - centralnym - zapłonęły zaś reakcje syntezy jądrowej i rozbłysła gwiazda, z której życie czerpie energię.
Zgodne wirowanie wszystkich planet i gwiazdy to dziedzictwo ruchu tego pierwotnego obłoku, którego one są potomkami, a który w miarę kurczenia się obracał się coraz szybciej i szybciej jak ściągająca ramiona łyżwiarka.
Z tego też powodu najszybciej wirują te obiekty, które siła ciążenia maksymalnie ścisnęła - a więc czarne dziury i gwiazdy neutronowe. Czarne dziury są trudne do badania, skrywają się za horyzontem zdarzeń, ale rozkręcone gwiazdy neutronowe zwane pulsarami widać z bardzo daleka, bo cyklicznie błyskają impulsami radowymi. Najpierw więc je dostrzeżono.
Grawitacja od kuchni. Co nas przyciąga
Tysiąc obrotów na sekundę
Kiedy doktorantka Jocelyn Bell z Uniwersytetu Cambridge natrafiła w 1967 r. na pierwszego pulsara, było to tak zdumiewające odkrycie, że naukowcy miesiącami trzymali je w tajemnicy. Obawiali się ośmieszenia, tygodniami sprawdzali, czy nie jest to błąd aparatury w radioteleskopie. Na taśmie z wydrukiem sygnału Bell zanotowała "śmieci" - były to rytmiczne impulsy radiowe, które nadchodziły co 1,3 s. Żadna ze znanych gwiazd nie pulsowała w tak szybkim rytmie.
Jedna z fantastycznych teorii mówiła, że to odległa cywilizacja, która usiłuje nawiązać kontakt. Ale - jak wspominała Bell - byliby to dość głupi kosmici, bo częstotliwość sygnału nie była modulowana, więc nie niosła żadnej treści. Początkowo jednak to pulsujące źródło promieniowania radiowego badacze z Cambridge nazwali LGM - od angielskiego "little green men" (małe zielone ludziki). Wkrótce się wyjaśniło, że LGM - których w międzyczasie odkryto więcej w różnych punktach nieba - to gwiazdy neutronowe.
Do czasu odkrycia czarnych dziur były to najbardziej egzotyczne obiekty kosmiczne. Przypominają gigantyczne jądra atomowe - mają masę o połowę większą niż Słońce, ale są sto tysięcy razy mniejsze. Mają ledwie 10-20 km średnicy i wypełnione są niezwykle silnie sprasowaną materią. W ich wnętrzu znajduje się przypuszczalnie neutronowa ciecz, której łyżeczka ważyłaby na Ziemi setki milionów ton. Zewnętrzną skorupę prawdopodobnie tworzą jądra atomów żelaza ułożone ciasno niczym pomarańcze w skrzynce. Panuje tam tak silna grawitacja, że upuszczona moneta rozpędziłaby się do połowy prędkości światła przed uderzeniem w powierzchnię.
Taki dziwoląg powstaje u kresu życia zwykłej, ale bardzo ciężkiej gwiazdy. Kiedy jej wnętrze wygaśnie, nic już nie jest w stanie powstrzymać ciężaru zewnętrznych warstw i zapadają się one do środka. Większość materii zostaje chwilę potem odrzucona w potężnej eksplozji, zwanej supernową. Katastrofę przeżywa tylko mocno sprasowany grawitacją środek, który kurcząc się nabiera wielkiej prędkości obrotowej. Potem niczym latarnia morska omiata Wszechświat swoim promieniowaniem radiowym.
Do tej pory odkryto już kilka tysięcy takich rotujących gwiazd, a najszybsze osiągają szaleńczą prędkość 500-700 obrotów na sekundę.
Supernowa nas rozkręciła?
Gdybyśmy się cofnęli w czasie, to nie dostrzeglibyśmy tego szalonego wirowania, które dziś jest tak powszechne. Miliardy lat temu, gdy grawitacja nie zdążyła jeszcze "ściągnąć rąk" i nie doszło do tak ekstremalnego zagęszczenia materii, przestrzeń kosmiczną wypełniały rozległe obłoki gazu złożone wyłącznie z wodoru i helu, które prawie w ogóle się nie obracały.
Według szacunków astrofizyków obłok, z którego narodził się Układ Słoneczny, miał średnicę około trzech lat świetlnych i był bardzo rozrzedzony. W każdym metrze sześciennym było ok. 8 mln atomów, ledwie 200 razy więcej niż w najlepszej próżni uzyskiwanej dziś w laboratorium. Obracał się ze ślimaczą prędkością 0,2 milimetra na sekundę (to prędkość obracania się jego zewnętrznej krawędzi). W takim tempie jeden pełen obrót zająłby mu ponad 10 bilionów lat, a więc tysiąc razy dłużej, niż istnieje Wszechświat.
Dopiero grawitacja go rozbudziła - zagęściła i przyspieszyła. Najprawdopodobniej stan chwiejnej równowagi zburzyło jakieś gwałtowne wydarzenie. Gdzieś w pobliżu wybuchła supernowa, której fala uderzeniowa uderzyła i ścisnęła materię w obłoku (a przy okazji eksplozja wzbogaciła go w cięższe pierwiastki, które bardzo się przydały do narodzin życia na Ziemi). Potem sprawy już się potoczyły lawinowo, bo im bardziej obłok się zagęszczał, tym silniej się kurczył. Zaczął też szybciej wirować. Dziś jego centralne zagęszczenie, którym jest Słońce, zatacza pełen obrót w czasie ledwie 25 dni (na równiku) do 34 dni (przy biegunach).
Piękna symetria nami kręci
Teraz czas na wyjaśnienie drugiej fundamentalnej przyczyny "wirowania świata". Skąd w ogóle bierze się "efekt łyżwiarki". Dlaczego zbliżenie ramion do osi obrotu lub kurczenie się kosmicznego obłoku przyspiesza obroty?
Odpowiada za to zasada zachowania momentu pędu. Jedno z najbardziej uniwersalnych praw przyrody.
Moment pędu jest odpowiednikiem pędu w ruchu obrotowym. Rozkręcony obiekt ma podobną bezwładność jak ciało poruszające się prosto przed siebie. Będzie wirował bez końca, jeśli go nie powstrzyma jakaś para sił zewnętrznych, np. tarcie. Co więcej, niezmienny pozostaje iloczyn prędkości kątowej i momentu bezwładności (to wielkość, która zależy od rozkładu masy). Ta fundamentalna zasada - tak jak zachowanie pędu i energii - jest wynikiem... symetrii praw natury. Udowodniła to niemiecka matematyczka Amalie Emmy Noether w 1918 r.
Zasada zachowania energii bierze się stąd, że prawa nie zmieniają się w czasie, czyli że milion lat temu były takie jak dzisiaj i będą takie same za kolejny milion lat. Z kolei zasada zachowania pędu wynika z tego, że prawa fizyki są takie same w każdym miejscu przestrzeni, czyli materia podlega tym samym regułom zarówno na Ziemi, jak i w odległej o kilka milionów lat świetlnych galaktyce Andromedy. Natomiast zasada zachowania momentu pędu - dzięki której galaktyki i planety uzyskały rotację - ma związek z symetrią praw fizyki wobec różnej orientacji w przestrzeni. Słowem, niezależnie od tego, czy kierujemy rakietę w stronę Aldebarana, Betelgezy czy Syriusza, to podlega ona tym samym prawom ruchu. To zdumiewające, że właśnie dzięki temu możemy także kręcić piruety na lodzie.
Czy cały Wszechświat się obraca?
Wirują planety, gwiazdy, galaktyki, ale czy kręci się także cały Wszechświat? Jeśli Wielki Wybuch przebiegał niesymetrycznie, to mógł nadać materii rotację. Czy jest jakaś centralna oś, wokół której wszystko się obraca?
To możliwe. Odkrył to jeden z największych matematyków XX wieku Kurt Gödel, który znalazł nowe rozwiązania równań grawitacji Alberta Einsteina. Był to model Wszechświata, który w całości wirował. Poza tym miał zupełnie nieoczekiwaną własność - dopuszczał podróże w czasie.
Gödel wykazał, że w takim wirującym kosmosie istnieją trajektorie czasoprzestrzenne, które stanowią zamknięte pętle. Einstein był zdumiony i strapiony tym odkryciem, bo sam uważał, że podróże w czasie stwarzają same paradoksy i są niemożliwe.
Tymczasem Gödel upierał się, że jego rozwiązanie ma sens. Obracające się światy mogą istnieć. W 1949 r. w "Reviews of Modern Physics" pisał: "Udając się w okrężną podróż w statku kosmicznym po wystarczająco szerokiej krzywej, można w tych światach docierać do dowolnych obszarów przeszłości, teraźniejszości i przyszłości, tam i z powrotem". Amerykański fizyk Freeman Dyson wspomina, że za każdym razem, gdy spotykał się z nim, Gödel pytał: "Czy fizycy już odkryli rotację Wszechświata?". Podobno ekscytował się możliwością uniknięcia śmierci dzięki wiecznej podróży po zamkniętych pętlach czasowych.
John Barrow pisze w "Księdze wszechświatów", że wirujący świat nie przypominałby tego z filmu "Powrót do przyszłości". Nie da się w nim zmienić przeszłości. Niemożliwy jest m.in. paradoks dziadka, a więc taka sytuacja, że cofamy się w czasie i zabijamy dziadka, tym samym uniemożliwiając własne narodziny. W świecie Gödla przeszłość zawsze pozostaje taka, jaka była, ale mimo to możemy do niej wrócić. Jak to możliwe? Po prostu rzeka czasu jest zapętlona, ale logicznie spójna w tym zapętleniu.
Barrow daje przykład takiej zapętlonej i spójnej historii. Wyobraźcie sobie, że przenieśliście się w przeszłość i zamierzacie zastrzelić samego siebie w niemowlęctwie, aby złośliwie stworzyć paradoks we Wszechświecie. Bierzecie na cel dziecko, które wasza matka trzyma w ramionach, i już macie nacisnąć na spust, gdy zadawniona kontuzja barku spowodowana tym, że matka kiedyś upuściła was jako niemowlę, wywołuje paroksyzm bólu w ręce i chybiacie. Jednak matka, przestraszona odgłosem wystrzału, upuszcza niemowlaka na ziemię, przez co uszkadza mu trwale bark. Kiedy ten dorasta, cofa się do czasów swego niemowlęctwa, żeby zastrzelić samego siebie i historia się powtarza...
Gödel nie doczekał odpowiedzi na pytanie, czy Wszechświat się kręci i czy w jednej z jego pętli czasowych można uciec śmierci. Do tej pory nie wykluczono tego na 100 proc. Kilka lat temu prof. Michael Longo z Uniwersytetu Michigan z pomocą studentów sprawdził kierunek wirowania 15 tys. galaktyk skatalogowanych w przeglądzie nieba Sloan Digital Sky Survey. Okazało się, że nieco więcej galaktyk kręci się w przeciwnym kierunku niż wskazówki zegara. To może być dziedzictwem asymetrii Wielkiego Wybuchu. Dwa lata potem inny zespół naukowców powtórnie porównał kierunki wirowania galaktyk i tym razem nie znalazł żadnej różnicy. Poszukiwania osi obrotu Wszechświata wciąż więc trwają.
930 km/godz.
Z taką prędkością mieszkańcy Polski wirują z Ziemią dookoła ziemskiej osi. Mieszkańcy obszarów równikowych, położonych nieco dalej od osi obrotu, mają o połowę większą prędkość.
20 milionów obrotów na sekundę
Milion razy szybciej niż bęben pralki i tysiąc razy szybciej niż wiertło dentystyczne - to rekordowa prędkość wirowania, jaką się udało osiągnąć na Ziemi. Fizycy z brytyjskiego Uniwersytetu St. Andrews rozkręcili do takiej prędkości maleńką kulkę z węglanu wapnia o średnicy kilku mikronów. Kulka rozpadała się w drobny mak.
A jednak się kręci
W 1851 roku Leon Foucault, francuski badacz i wynalazca, wykonał słynny pokaz, który dowiódł, że Ziemia wiruje wokół własnej osi. Naukowiec zawiesił w paryskim Panteonie gigantyczne wahadło na lince o długości 67 metrów. Zgodnie z prawami fizyki swobodnie zawieszone wahadło powinno się wahać w jednej i tej samej płaszczyźnie. Tymczasem - z powodu wirowania Ziemi - płaszczyzna wahań powoli obracała się zgodnie z ruchem wskazówek zegara. Był to pierwszy namacalny dowód na to, że Ziemia nie jest nieruchomym centrum kosmosu. Pokaz Foucaulta wymieniany jest dziś jako jeden z największych i najpiękniejszych eksperymentów w dziejach świata.
Elektron dziwnie się kręci
Ta cząstka ma swój wewnętrzny moment pędu, zwany spinem. Różni się on od obrotów, z jakimi mamy do czynienia na co dzień. Czasem w uproszczeniu mówi się, że elektron wiruje wokół własnej osi, choć w całkiem inny sposób niż karuzela. Kiedy karuzela obróci się o 360 stopni, to wraca do tego samego stanu. Tymczasem elektron, żeby wrócić do stanu wyjściowego, potrzebuje obrotu o kąt dwa razy większy.
Oglądaj wideo "Nauki dla każdego" i odkrywaj największe zagadki otaczającego Cię świata. Daj się wciągnąć, zafascynować, zadziwić. Spójrz na siebie i rzeczywistość z innej, naukowej strony!
http://wyborcza.pl/1,145452,19011573,my ... kreci.html