Fizycy odkryli, że z grawitacji może powstawać światło. Jak to możliwe?

W tym artykule:

1. Jak huśtamy się dzięki rezonansowi?
2. Rezonans parametryczny w kosmosie
3. Grawitacja teraz i w przeszłości
4. Ze światła może powstać materia

Pierwsza sekunda po Wielkim Wybuchu to okres istnienia Wszechświata, który nadzwyczaj interesuje fizyków. To właśnie wtedy doszło najprawdopodobniej do gwałtownego powiększenia się kosmosu. Według teorii zwanej inflacją kosmologiczną, w jednej chwili Wszechświat rozdął się, jak błyskawicznie nadmuchany balon.

W czasie ekspansji liniowe rozmiary kosmosu wzrosły o jedynkę z kilkudziesięcioma zerami. Stało się to w zaledwie ułamku sekundy. Co się wówczas działo wewnątrz „balonu”? Naukowcy są przekonani, że kosmos znajdował się w egzotycznym stanie: oddziaływania i materia, jakie znamy, dopiero powstawały.

Według najnowszej hipotezy, szczególną rolę odgrywała wówczas grawitacja. Zdaniem badaczy mogła ona nawet „wytwarzać” światło. Praca na ten temat ukazała się właśnie w czasopiśmie naukowym „Physics of the Dark Universe”.

Jak huśtamy się dzięki rezonansowi?

W zrozumieniu, jak grawitacja mogła przy narodzinach Wszechświata dać początek światłu, pomocne może być przypomnienie sobie zabaw na huśtawce. Gdy siadamy na niej, zazwyczaj błyskawicznie i bez trudu wpadamy na to, co zrobić, by huśtać się coraz wyżej.

Do Ziemi dotarło tajemnicze, bardzo jasne światło. Pochodzi z czarnej dziury – twierdzą astronomowie

Emituje więcej światła niż tysiąc miliardów Słońc. Jest wynikiem kosmicznej katastrofy, do jakiej doszło w odległości 8,5 miliarda lat świetlnych. Tak potężny rozbłysk miał zostać ...

Odbijamy się od ziemi, zaczynamy się pochylać w przód i w tył, jednocześnie wymachując nogami. Nasze ruchy są cykliczne. Szybko dostrzegamy, że możemy ich tempo dobrać tak, żeby huśtawkę rozbujać.

Najczęściej nie wiedząc o tym, wykorzystujemy znane z fizyki klasycznej zjawisko rezonansu. Przykładając odpowiednio dobraną siłę, zwiększamy amplitudę wahadła. Czyli sprawiamy, że huśtawka zaczyna wychylać się coraz dalej.

Rezonans parametryczny w kosmosie

Zdaniem badaczy w pierwszym okresie istnienia Wszechświata duże znaczenie mógł odgrywać rodzaj rezonansu zwany rezonansem parametrycznym. Jak wyjaśniał dr hab. Tomasz Kawalec z Instytutu Fizyki UJ w czasopiśmie „Foton”, rezonans parametryczny pojawia się wtedy, gdy w danym układzie wykonującym drgania okresowo zmienia się jeden z jego parametrów. Np. w przypadku huśtawki rezonans parametryczny zachodziłby, gdyby nagle zaczęła zmieniać się jej długość.

Jak to się ma do bardzo młodziutkiego kosmosu? Autorzy wspomnianej wyżej pracy uważają, że wówczas mogła pojawić się egzotyczna forma rezonansu parametrycznego. Podlegałyby mu fale grawitacyjne, które w rezultacie stałyby się niezwykle silne.

Grawitacja teraz i w przeszłości

Wbrew naszemu codziennemu doświadczeniu, czasoprzestrzeń wcale nie jest nieruchoma. Nieustannie drga pod wpływem poruszających nią fal grawitacyjnych. Te dzisiejsze, które rejestrujemy dzięki naziemnym detektorom, są bardzo słabe. Pod ich wpływem rozmiary przestrzeni zmieniają się o wielkości zbliżone np. do średnicy protonu.

Nic dziwnego, że świat wydaje nam się dość stabilnym miejscem (przynajmniej jeśli chodzi o wielkości fizyczne). Jednak zaraz po Wielkim Wybuchu mogło być zupełnie inaczej. W rezultacie inflacji kosmos mogły wypełniać niezwykle silne fale grawitacyjne. Niektóre z nich, nakładając się na siebie, mogły tworzyć tzw. fale stojące. W efekcie w niektórych miejscach mogło gromadzić się bardzo dużo energii grawitacyjnej.

Zakrzywienie czasoprzestrzeni – skąd się bierze? Jak grawitacja wpływa na przestrzeń i czas

Teoria względności opracowana przez Alberta Einsteina przewiduje, że grawitacja to zakrzywienie czasoprzestrzeni. Każda masa zmienia trajektorię pobliskich ciał. Sprawia też, że w jej pobli...

Zdaniem naukowców mogło to wpływać na pola elektromagnetyczne, które wówczas istniały we Wszechświecie. Regiony intensywnej grawitacji mogły wzbudzić pole elektromagnetyczne wystarczająco mocno, by część jego energii ujawniła się w postaci promieniowania. Tak właśnie pod wpływem grawitacji we wczesnym Wszechświecie mogło powstać światło.

Ze światła może powstać materia

To nie pierwszy przypadek, kiedy naukowcy znajdują powiązania między pojęciami i zjawiskami fizycznymi, które na pozór nie mają ze sobą wiele wspólnego. Badacze ciągle szukają np. potwierdzenia zachodzenia procesu Breita-Wheelera. Według niego w pewnych warunkach ze światła może powstawać materia.

Źródła: phys.org, Physics of the Dark Universe, Foton.

Nasz ekspert

Magdalena Salik

Dziennikarka naukowa i pisarka, przez wiele lat sekretarz redakcji i zastępczyni redaktora naczelnego magazynu „Focus". Wcześniej redaktorka działu naukowego „Dziennika. Polska, Europa, Świat”. Pasjami czyta i pisze, miłośniczka literatury popularnonaukowej i komputerowych gier RPG. Więcej: magdalenasalik.wordpress.com