Fizyka i nauki ścisłe

Klasyczno-kwantowa teoria grawitacji.

admin

Marek Skowroński

10 września 2024 roku

            Wokół grawitacji narosło wiele mitów oraz wiele teorii. Jedne upadają, inne biorą w jakimś momencie trendów naukowych górę nad innymi, po czym wraca się do tych starych modeli, by… No właśnie. A to oznacza, że w nauce nigdy można mówić „nigdy” i to właśnie nauka powinna być wolna od autorytetów oraz od dogmatów – z wyłączeniem prawd tak oczywistych, że każdego dnia wstaje nad naszymi głowami słońce.

            Niniejszy artykuł jest próbą podjęcia tematu grawitacji w innym, niż dotychczasowe ujęciu i autor nie rości sobie prawa do uznania swojej teorii za jedyną i nieomylną. Mając świadomość, że nauka jest czymś, co podlega ciągłemu rozwojowi, chciałbym dołożyć swoją małą i skromną cegiełkę do wielkich monumentów prawdziwego świata nauki.

Wstęp

            Fizyka teoretyczna to dziedzina fizyki zajmująca się rozwijaniem teorii i modeli matematycznych, mających na celu opisanie i przewidywanie zjawisk fizycznych. W przeciwieństwie do fizyki eksperymentalnej, która polega na przeprowadzaniu doświadczeń i pomiarów, fizyka teoretyczna stara się zrozumieć prawa natury za pomocą matematycznych równań i abstrakcyjnych koncepcji.

Celem fizyki teoretycznej jest tworzenie spójnych teorii, które wyjaśniają obserwacje i eksperymenty, a także przewidują nowe zjawiska. Znane przykłady to mechanika kwantowa, teoria względności Einsteina czy model standardowy cząstek elementarnych. Współcześnie fizyka teoretyczna odgrywa kluczową rolę w zrozumieniu zarówno mikroświata (cząstki elementarne), jak i makroświata (kosmologia).

Cele i metody: Celem niniejszej publikacji jest przedstawienie alternatywnej teorii grawitacji na podstawie metody opisowej, z przedstawieniem wzoru matematycznego.

  1. GRAWITACJA
    1. Grawitacja w ujęciu klasycznym

            W ujęciu klasycznym grawitacja to siła przyciągająca, która działa między wszystkimi obiektami posiadającymi masę. Jest to jedna z czterech fundamentalnych sił w przyrodzie, obok elektromagnetyzmu, słabej siły jądrowej i silnej siły jądrowej.

Najbardziej znane klasyczne ujęcie grawitacji pochodzi od Isaaca Newtona, który sformułował swoje prawo powszechnego ciążenia w swoim dziele „Philosophiæ Naturalis Principia Mathematica” (często skracane do „Principia”). Opublikowane po raz pierwszy w 1687 roku, „Principia” jest jednym z najważniejszych dzieł w historii nauki. W III tomie tego dzieła, zatytułowanym „System świata” („System of the World”), Newton formułuje prawo powszechnego ciążenia, które głosi, że każda masa we Wszechświecie przyciąga inną masę siłą, która jest wprost proporcjonalna do iloczynu tych mas i odwrotnie proporcjonalna do kwadratu odległości między nimi. Pełne wyjaśnienie prawa autor zawarł w rozdziałach poświęconych ruchowi ciał niebieskich i wyjaśnieniu zjawisk astronomicznych za pomocą teorii grawitacji. Matematycznie jest to wyrażone wzorem:

gdzie:

m1, m2 – masy oddziaływujących grawitacyjnie ciał

r – odległość między środkami ciał

G – stała grawitacji,  G = 6.67·10-11Nm2/kg2.

            W ujęciu klasycznym w fizyce uznaje się uniwersalność grawitacji, co oznacza, ż występuje ona i działa wszędzie, między wszystkimi ciałami posiadającymi masę, niezależnie od tego, jak daleko są one od siebie.

Grawitacja zawsze jest siłą przyciągającą, co oznacza, że nie ma „grawitacji odpychającej”. Ponadto siła grawitacji jest proporcjonalna do masy ciał, co oznacza, że jest ona zależna od masy, i im większa masa obiektu, tym silniejsze jego pole grawitacyjne. Kolejną cechą grawitacji w ujęciu klasycznym jest jej działanie na odległość, co oznacza, że aby ta siła mogła działać między poszczególnymi obiektami nie musi dochodzić między nimi do bezpośredniego kontaktu, jednak zgodnie z prawem Newtona, siła grawitacji (przyciągania) maleje wraz z kwadratem odległości. A oto przykłady działania grawitacji w klasycznym ujęciu:

  1. ludzie, przedmioty i inne ciała na Ziemi są przyciągane do jej powierzchni i siła ta działa w kierunku środka planety,
  2. grawitacja odpowiada za to, że planety krążą wokół Słońca, gdzie siła przyciągania między Słońcem a planetami sprawia, iż poruszają się one po niemal kołowych orbitach.

            Choć prawo grawitacji Newtona działa świetnie w większości przypadków, ma jednak również swoje ograniczenia. Newton nie wyjaśnił, jak dokładnie grawitacja działa na odległość ani jakie jest jej pochodzenie. Prawo Newtona nie radzi sobie też dobrze z bardzo masywnymi obiektami (jak czarne dziury) ani z bardzo szybkimi ruchami. Z tych powodów w XX wieku Albert Einstein opracował ogólną teorię względności, która lepiej opisuje grawitację w ekstremalnych warunkach, takich jak zakrzywienie czasoprzestrzeni.

  1. Grawitacja w ujęciu fizyki kwantowej

            Grawitacja w ujęciu fizyki kwantowej jest znacznie bardziej złożonym i jeszcze nie do końca rozwiązanym problemem. Fizyka kwantowa opisuje trzy z czterech fundamentalnych sił w przyrodzie (elektromagnetyzm, siły jądrowe silne i słabe) za pomocą teorii kwantowych, ale grawitacja do tej pory nie została w pełni zintegrowana z tą teorią. Próba opisania grawitacji na poziomie kwantowym prowadzi do wielu wyzwań i nowych hipotez, ale nie ma jednej, powszechnie zaakceptowanej teorii kwantowej grawitacji. Mimo to istnieją pewne podejścia i koncepcje, które próbują połączyć grawitację z fizyką kwantową.

  1. Grawitacja w klasycznej mechanice kwantowej

            Fizyka kwantowa opisuje cząstki elementarne i ich oddziaływania w sposób probabilistyczny (uprawdopodabniający), opierając się na falowej naturze materii. Jednak grawitacja, według ogólnej teorii względności Einsteina, jest wyjaśniana jako zakrzywienie czasoprzestrzeni przez masy. Próba pogodzenia tych dwóch opisów rzeczywistości — zakrzywionej czasoprzestrzeni i kwantowego opisu sił — prowadzi do pewnych trudności, zwłaszcza w bardzo małych skalach, takich jak przestrzeń wokół czarnych dziur lub wczesne stadia Wszechświata (np. podczas Wielkiego Wybuchu).

  1. Kwantowa grawitacja

            Kwantowa grawitacja to termin opisujący teorie, które próbują połączyć mechanikę kwantową z grawitacją. Choć pełna teoria kwantowej grawitacji jeszcze nie istnieje, poniżej przedstawiono kilka podejść, które próbują to osiągnąć:

  1. Grawitony: Analogicznie do cząstek pośredniczących w innych oddziaływaniach (np. foton w przypadku elektromagnetyzmu), w kwantowej grawitacji zakłada się istnienie hipotetycznej cząstki zwanej grawitonem. Grawiton miałby być cząstką przenoszącą oddziaływanie grawitacyjne na poziomie kwantowym, tak jak fotony przenoszą oddziaływanie elektromagnetyczne. W klasycznym ujęciu grawitacji siła ta jest ciągła, ale w kwantowym miałaby się przejawiać w postaci wymiany tych cząstek.
  2. Teoria strun: Jest jednym z najbardziej popularnych podejść do kwantowej grawitacji. W tej teorii wszystkie cząstki elementarne, w tym grawiton, są traktowane jako wibracje jedno- lub wielowymiarowych strun. Teoria strun sugeruje istnienie dodatkowych wymiarów przestrzennych (oprócz naszych trzech wymiarów przestrzeni i jednego wymiaru czasu), które są zwinięte w mikroskopijnych skalach. Jednym z głównych sukcesów teorii strun jest możliwość włączenia grawitacji w ten model, chociaż teoria ta jest nadal rozwijana i nie jest w pełni weryfikowalna eksperymentalnie.
  3. Pętlowana grawitacja kwantowa: Innym podejściem jest pętlowana grawitacja kwantowa (ang. Loop Quantum Gravity) sugerująca, że czasoprzestrzeń nie jest ciągła, ale składa się z maleńkich, dyskretnych kawałków, które można nazwać „kwantami przestrzeni”. W tym podejściu grawitacja wynika z kwantowych własności czasoprzestrzeni, a przestrzeń i czas mają strukturę przypominającą sieć powiązań, zwanych „pętlami”.
  1. Paradoks czarnej dziury i informacja

            Jednym z kluczowych problemów na styku grawitacji i fizyki kwantowej jest problem czarnych dziur, zwłaszcza kwestia tego, co dzieje się z informacją o materii wpadającej do czarnej dziury. Mechanika kwantowa sugeruje, że informacja nie może być utracona, natomiast klasyczna grawitacja, w kontekście czarnych dziur, zakłada, że po przekroczeniu horyzontu zdarzeń, informacje o obiekcie znikają. Problem ten prowadzi do tzw. paradoksu informacyjnego czarnych dziur, który jest jednym z największych wyzwań we współczesnej fizyce.

1.2.4. Problemy i wyzwania

            Kwantowa teoria pola dobrze opisuje elektromagnetyzm oraz siły jądrowe słabe i silne, ale próba zastosowania jej do grawitacji prowadzi w równaniach nie mających sensu fizycznego – do nieskończoności. Teoria grawitacji, która działa na dużych skalach (jak klasyczna ogólna teoria względności), nie jest zgodna z teoriami kwantowymi na poziomie bardzo małych skal, co prowadzi do potrzeby rozwinięcia bardziej zaawansowanych modeli, jak wspomniane teoria strun czy pętlowana grawitacja kwantowa.

  1. SIŁA

            Mówiąc o grawitacji, zarówno w ujęciu fizyki klasycznej, jak i fizyki kwantowej poruszamy się cały czas wokół jej kluczowego charakteru, to jest siły. Obydwie te ujęcia traktują bowiem grawitację jako siłę. W związku z tym należy przytoczyć, czym jest siła w rozumieniu fizyki będącej dziedziną nauki.

  • Siła w rozumieniu fizyki klasycznej

            W fizyce klasycznej siła to wielkość wektorowa powodująca zmianę ruchu ciała, czyli przyspieszenie, zgodnie z drugą zasadą dynamiki Newtona. Kluczowe zasady opisujące siłę to druga zasada dynamiki Isaaca Newtona oraz zasada oddziaływania.

  • Druga zasada dynamiki Newtona:

            Najbardziej podstawowa definicja siły w fizyce klasycznej pochodzi od Isaaca Newtona, który stwierdził, że siła działająca na ciało jest równa iloczynowi masy ciała i jego przyspieszenia, co wyraża się w następującym wzorze:

F = m · a

gdzie:

F – siła,

m – masa ciała,

a – przyspieszenie.

Oznacza to, że w ujęciu newtonowskim siła powoduje zmianę prędkości ciała, czyli przyspieszenie, i im większa jest masa ciała, tym większa siła jest potrzebna, aby spowodować to samo przyspieszenie.

  • Siła jako oddziaływanie:

            W klasycznej mechanice siła może działać na odległość (np. siła grawitacji) lub poprzez kontakt (np. siła tarcia). Istnieją różne rodzaje sił, takie jak:

siła grawitacji: przyciąganie między dwoma masami,

siła elektrostatyczna: oddziaływanie między ładunkami elektrycznymi,

siła tarcia: opór, jaki napotykają ciała w ruchu względem siebie.

  • Siła w fizyce kwantowej

            W fizyce kwantowej pojęcie siły w porównaniu z fizyką klasyczną jest rozumiane nieco inaczej. Siły są tutaj efektem wymiany cząstek pośredniczących między cząstkami materii. Zamiast myśleć o sile jako bezpośrednim przyciąganiu lub odpychaniu, w kwantowej teorii pola oddziaływania są opisywane poprzez wymianę tzw. bozonów pośredniczących.

  • Teoria kwantowa pola

            W tej teorii każda siła w przyrodzie jest opisana poprzez cząstki, które przenoszą dane oddziaływanie, w którym:

foton: odpowiada za oddziaływanie elektromagnetyczne,

gluon: odpowiada za silne oddziaływanie jądrowe (wiąże kwarki w hadronach),

bozon W i Z: odpowiada za słabe oddziaływanie jądrowe (np. w procesach radioaktywnego rozpadu),

grawiton (hipotetyczny): gdyby udało się stworzyć kwantową teorię grawitacji byłby jej przewidywanym nośnikiem.

            Zamiast klasycznej definicji siły, fizyka kwantowa opisuje interakcje za pomocą wymiany tych cząstek pośredniczących, które przenoszą oddziaływania między cząstkami materii.

  • Siły w ramach oddziaływań fundamentalnych

            W fizyce kwantowej siły są interpretowane jako fundamentalne oddziaływania, to jest:

  • oddziaływanie elektromagnetyczne: opisywane przez elektrodynamikę kwantową (QED), gdzie fotony przenoszą oddziaływanie między naładowanymi cząstkami;
  • oddziaływanie silne: opisywane przez chromodynamikę kwantową (QCD), gdzie gluony przenoszą oddziaływania między kwarkami;
  • oddziaływanie słabe: w modelu standardowym, bozony W i Z przenoszą to oddziaływanie, które odpowiada m.in. za radioaktywność.

Oddziaływania te są wyrażane matematycznie poprzez wymianę cząstek pośredniczących, co powoduje zmiany w stanach energii i pędu cząstek. Na poziomie kwantowym pojęcie klasycznej siły jako wektora działającego na obiekt zastępuje się bardziej abstrakcyjnym opisem poprzez wymianę kwantów pola.

  • Porównanie siły w fizyce klasycznej i kwantowej

            Jak już wspomniano powyżej, w fizyce klasycznej siła jest wielkością wektorową, która powoduje zmianę ruchu ciała, to prosty mechanizm zależny od masy i przyspieszenia, działający na obiekty w sposób mechaniczny lub przez pola (np. grawitacyjne). Jest ona bezpośrednio związana z masą i przyspieszeniem (II zasada dynamiki Newtona). Klasyczna teoria grawitacji i elektromagnetyzmu opisuje siły jako działające na odległość. Z kolei w fizyce kwantowej siła nie jest interpretowana jako wektor, lecz jako wynik oddziaływania kwantowego, opisywanego przez wymianę cząstek pośredniczących. Siły są skutkiem kwantowych fluktuacji i wymiany bozonów pośredniczących, co jest bardziej abstrakcyjne i trudniejsze do intuicyjnego zrozumienia, ale daje bardziej dokładny opis fundamentalnych procesów zachodzących w mikroskali.

  1. Grawitacja jako wymiar
    1. Definicja pojęcia „wymiar”

            Definicja pojęcia „wymiar” w fizyce i matematyce jest wielowarstwowa, zależna od kontekstu, w jakim go używamy. W najprostszej formie, wymiar odnosi się do minimalnej liczby współrzędnych potrzebnych do jednoznacznego określenia położenia punktu w danej przestrzeni. Przyjrzyjmy się temu pojęciu na różnych poziomach:

  1. Wymiar w przestrzeni klasycznej (geometria euklidesowa)Jednowymiarowa przestrzeń: Linia, na której punkt można zdefiniować przy pomocy jednej współrzędnej (np. linia prosta);Dwuwymiarowa przestrzeń: Płaszczyzna, gdzie punkt potrzebuje dwóch współrzędnych, aby określić jego położenie (np. kartka papieru, gdzie używamy współrzędnych X i Y);Trójwymiarowa przestrzeń: Przestrzeń, w której potrzebujemy trzech współrzędnych (X, Y, Z), aby określić położenie punktu (np. nasze codzienne doświadczenie w przestrzeni);Czterowymiarowa przestrzeń: W ogólnej teorii względności, czasoprzestrzeń jest czterowymiarowa, ponieważ do trzech wymiarów przestrzennych dodajemy czas jako czwarty wymiar.
  • Wymiar w fizyce
    • Klasyczna mechanika: Wymiar oznacza liczbę niezależnych kierunków, w których obiekty mogą się poruszać. Na przykład ruch w 3D obejmuje przemieszczenie wzdłuż osi X, Y i Z;
    • Czas jako wymiar: W teorii względności czas traktowany jest jako czwarty wymiar, tworząc tzw. czasoprzestrzeń. Wymiary przestrzenne definiują pozycję obiektu, a czas wskazuje moment w którym ten obiekt się znajduje;
    • Dodatkowe wymiary: W niektórych teoriach (jak teoria strun), postulowane są dodatkowe wymiary przestrzenne, które są „zwinięte” i niewidoczne dla naszych zmysłów. W takich teoriach może istnieć więcej niż cztery wymiary (np. 10, 11 lub więcej).
  • Wymiar w matematyce:
    • Przestrzenie wektorowe: W teorii wektorów wymiar to liczba niezależnych wektorów bazowych potrzebnych do opisania przestrzeni. Na przykład, w trójwymiarowej przestrzeni mamy trzy niezależne wektory, które mogą być używane do zdefiniowania położenia każdego punktu.
    • Wymiar fraktalny: W kontekście geometrii fraktalnej istnieje pojęcie wymiaru, które może nie być całkowite, np. wymiar fraktalny. Opisuje on, jak szczegółowość fraktala zmienia się w zależności od skali.
  • Wymiar w kontekście teorii grawitacji i fizyki kwantowej:
  • Ogólna teoria względności: Grawitacja wynika z zakrzywienia czterowymiarowej czasoprzestrzeni, co sugeruje, że wymiar ma kluczowe znaczenie dla zrozumienia tego, jak działa grawitacja. Zamiast być siłą, grawitacja to właściwość wymiarów czasoprzestrzeni.
  • Teoria strun: Postuluje istnienie więcej niż czterech wymiarów. Dodatkowe wymiary są niewidoczne, ponieważ są zwinięte w bardzo małe przestrzenie (kompaktowe wymiary). Teoria ta próbuje połączyć grawitację z fizyką kwantową, sugerując, że grawitacja może być związana z ukrytymi wymiarami.
  • Wymiar w kontekście filozoficznym i metafizycznym:

            W różnych filozoficznych i metafizycznych systemach wymiar może odnosić się nie tylko do przestrzeni fizycznej, ale także do innych aspektów rzeczywistości, jak np. różne poziomy istnienia (materialne i niematerialne), które mogą być postrzegane jako „wymiary” jakiejś rzeczywistości.

            Podsumowując zagadnienie, wymiar można zdefiniować jako ilość współrzędnych potrzebnych do określenia położenia punktu w przestrzeni. Zwykle mówimy o trzech wymiarach przestrzennych i jednym wymiarze czasowym, ale w bardziej zaawansowanych teoriach (jak teoria strun) pojawiają się dodatkowe wymiary przestrzenne. W przypadku grawitacji, w ujęciu ogólnej teorii względności, wymiar czasoprzestrzeni jest kluczowym pojęciem, ponieważ grawitacja wynika z zakrzywienia tej wielowymiarowej struktury.

  • Definicja grawitacji jako wymiaru

            Załóżmy, że grawitacja to wymiar będący jednocześnie siłą (a konkretnie oddziaływaniem), która jest proporcjonalna do masy przyciągających się obiektów do ich gęstości, przestrzeni, w jakiej one się znajdują oraz ich potencjału kwantowego, co możemy wyrazić w następującym wzorze:

            Powyższa koncepcja, czy idea grawitacji jako wymiaru rozszerza klasyczną koncepcję grawitacji o nowe elementy, jak: gęstość, przestrzeń i potencjał kwantowy, zaś zamieszczony powyżej wzór musiałby zostać zweryfikowany eksperymentalnie, a parametry takie jak Φ Phi i objętość V wymagałyby precyzyjnych definicji, które miałyby sens fizyczny w kontekście kwantowej grawitacji. W związku z powyższym postuluje się uwzględnienie następujących zmiennych:

  • Masy i gęstości: Zgodnie z powyższą ideą, gęstość wpływałaby na siłę grawitacyjną, co oznaczałoby, że obiekty o większej gęstości (nie tylko masie) generowałyby silniejsze pole grawitacyjne. Wzór uwzględnia zarówno masę, jak i gęstość, poprzez iloczyn tych wielkości.
  • Przestrzeń i objętość: W klasycznej fizyce siła grawitacji maleje z kwadratem odległości między obiektami. W powyższym wzorze mogłoby to być rozszerzone o wpływ objętości przestrzeni, w której obiekty się znajdują. Zakładałoby to, że w zakrzywionej przestrzeni grawitacja mogłaby działać inaczej, np. w mniejszych objętościach mogłaby być silniejsza.
  • Potencjał kwantowy Φ\PhiΦ: Ten czynnik byłby odpowiedzialny za uwzględnienie efektów kwantowych, takich jak potencjalne istnienie grawitonów, które przenoszą siłę grawitacyjną na poziomie kwantowym. Byłby to nowy parametr, który nie występuje w klasycznej teorii, ale musiałby zostać opracowany na podstawie badań kwantowej grawitacji.
  • Nowe współczynniki: Stała grawitacyjna G mogłaby wymagać korekty, aby uwzględniać gęstość, przestrzeń i potencjał kwantowy. Możliwe, że w hipotetycznej teorii kwantowej grawitacji istniałaby inna stała lub modyfikacja istniejącej, która obejmowałaby te dodatkowe czynniki.

            Powyższa koncepcja różni się od klasycznego opisu omawianego zjawiska, który opiera się na prawach Newtona i ogólnej teorii względności Einsteina.

  • Grawitacja a masa

            W klasycznej mechanice, zgodnie z prawem powszechnego ciążenia Newtona, grawitacja jest siłą proporcjonalną do masy dwóch obiektów i odwrotnie proporcjonalną do kwadratu odległości między nimi. Gęstość nie odgrywa bezpośredniej roli w tej formule. Natomiast masa, która może być funkcją gęstości i objętości, jest kluczowa. W ogólnej teorii względności grawitacja jest efektem zakrzywienia czasoprzestrzeni wywołanego przez masę i energię. Obiekty masywne, takie jak gwiazdy czy planety, zakrzywiają czasoprzestrzeń, a inne obiekty poruszają się po zakrzywionych ścieżkach, co jest postrzegane jako siła grawitacji. W tym kontekście można powiedzieć, że przestrzeń, w której obiekty się znajdują, ma wpływ na ich oddziaływania grawitacyjne, ale nadal kluczowym czynnikiem jest ich masa i energia.

  • Kwanty

            Kwantowa teoria grawitacji jest jeszcze w stadium rozwoju, a pełna, spójna teoria (jak na przykład grawitacja kwantowa lub teoria strun) nie została jeszcze zaakceptowana. Obecnie w fizyce teoretycznej uważa się zazwyczaj, że grawitacja na poziomie kwantowym prawdopodobnie wiąże się z bardzo subtelnymi efektami i cząstkami, takimi jak hipotetyczny grawiton, jednak jak do tej pory nie dokonano jeszcze powszechnie przyjętego opisu, jak dokładnie działa na tym poziomie.

            Kwant to podstawowa jednostka, która opisuje minimalną, niepodzielną porcję pewnej wielkości fizycznej. Termin ten pochodzi z łaciny („quantus” – „ile”), a został wprowadzony przez niemieckiego fizyka Maxa Plancka w 1900 roku, który zasugerował, że energia promieniowania elektromagnetycznego jest emitowana i absorbowana w określonych, dyskretnych porcjach, zwanych kwantami energii.

W mechanice kwantowej pojęcie kwantu odnosi się do różnorodnych wielkości fizycznych, które są kwantowane, czyli występują w ściśle określonych wartościach, zamiast w sposób ciągły, jak na przykład:

  • Kwant energii: Energia w systemach mikroskopowych, takich jak atomy, jest przyjmowana w dyskretnych poziomach. Na przykład energia fotonu (kwantu światła) jest proporcjonalna do jego częstotliwości.
  • Kwant ładunku: Ładunek elektryczny jest również kwantowany, a jego najmniejsza porcja to ładunek elementarny (np. ładunek elektronu).
  • Najbardziej znanymi przykładami kwantów są:
  • Foton: Kwant promieniowania elektromagnetycznego, czyli światła.
  • Kwanty energii w atomach: Elektrony w atomach mogą przyjmować tylko określone poziomy energii, a przejścia między tymi poziomami odbywają się przez emisję lub absorpcję kwantów energii.

Zjawisko kwantowania wyjaśnia wiele zjawisk w fizyce, takich jak linie widmowe atomów czy efekt fotoelektryczny.

            Odnosząc się zatem do pojęcia kwantu zauważyć należy, iż każda z porcji (każdy kwant) cechuje odpowiednio ładunek lub energia, zaś każdy ładunek i każda energia mają swój określony potencjał.

  • Potencjał kwantowy

            Potencjał w fizyce jest wielkością skalarną opisującą stan energetyczny układu w pewnym punkcie przestrzeni. Może on przybierać różne formy, w zależności od rodzaju pola, z którym mamy do czynienia. Potencjał określa, jaką energię ma ciało znajdujące się w danym punkcie przestrzeni w wyniku oddziaływań z siłami, np. siłami elektrycznymi, grawitacyjnymi, czy mechanicznymi. W fizyce wyróżnia się następujące rodzaje potencjałów:

  • Potencjał grawitacyjny: Jest to potencjał związany z polem grawitacyjnym i określa on energię potencjalną masy umieszczonej w danym punkcie pola grawitacyjnego. Dla punktowego źródła grawitacji potencjał grawitacyjny V w odległości r od masy M jest dany wzorem:
  • Potencjał elektryczny: Jest związany z polem elektrycznym. Potencjał elektryczny w danym punkcie przestrzeni mówi o energii potencjalnej ładunku jednostkowego umieszczonego w tym punkcie. Dla ładunku punktowego q, potencjał elektryczny V w odległości r od tego ładunku wynosi:
  • Potencjał mechaniczny: To pojęcie używane w mechanice klasycznej, najczęściej odnosi się do energii potencjalnej w polu sił zachowawczych, takich jak sprężystość (potencjał sprężyny) czy grawitacja w pobliżu powierzchni Ziemi (potencjał grawitacyjny).

            Potencjał w fizyce mówi o tym, jaką energię ma ciało w danym punkcie przestrzeni na jednostkę masy (w przypadku pola grawitacyjnego) lub na jednostkę ładunku (w przypadku pola elektrycznego). Zatem energia potencjalna obiektu w danym punkcie jest iloczynem jego masy (lub ładunku) oraz potencjału w tym punkcie. Ponadto potencjał pozwala uprościć analizę ruchu ciał w polach sił. Zamiast analizować siły działające na ciało w każdym punkcie, można korzystać z pojęcia potencjału, które wiąże się bezpośrednio z energią układu.

W fizyce kwantowej i mechanice klasycznej potencjał odgrywa kluczową rolę w równaniach ruchu, np. w równaniu Schrödingera dla cząstek kwantowych.

            Grawitacja w obecnym rozumieniu opiera się przede wszystkim na masie i zakrzywieniu czasoprzestrzeni, a koncepcje gęstości i potencjału kwantowego nie są bezpośrednio związane z klasycznym podejściem. Należy się jednak spodziewać, że już w niedalekiej przyszłości, wraz z rozwojem teorii kwantowej grawitacji, być może pojawią się nowe wyjaśnienia, które włączą inne aspekty, takie jak potencjał kwantowy. Potencjał kwantowy – zgodnie zaproponowanym rozumieniem grawitacji – jest zatem nową wielkością, którą przyjęto jako zmienną hipotetyczną, przywołaną w definicji grawitacji jako wymiaru oraz w zaproponowanym wzorze.

            Potencjał kwantowy to pojęcie, które nie ma jednej, standardowej definicji w fizyce, ale jest związane z różnymi teoriami kwantowymi, które starają się opisać zachowanie układów fizycznych na poziomie kwantowym. Pojęcie to można rozumieć na kilka sposobów, w zależności od kontekstu, w którym jest używane.

W tzw. teorii de Broglie-Bohma (znanej również jako mechanika fal pilotujących lub teoria fali pilotującej) potencjał kwantowy odgrywa kluczową rolę w opisie ruchu cząstek. W tej interpretacji mechaniki kwantowej cząstki mają zdefiniowane położenie, a ich ruch jest kierowany przez falę kwantową, którą opisuje funkcja falowa.

            Potencjał kwantowy to dodatkowa siła, która wynika z funkcji falowej i wpływa na cząstki w sposób nieklasyczny. To właśnie potencjał kwantowy odróżnia dynamikę w teorii Bohma od klasycznej mechaniki Newtona. Zaskakujące jest, że potencjał kwantowy działa niezależnie od siły klasycznej, którą cząstki odczuwałyby w danym układzie, a jego wpływ może rozciągać się na duże odległości.

Potencjał kwantowy Q można zapisać w następujący sposób:

Potencjał kwantowy jest więc ściśle związany z lokalnym kształtem funkcji falowej cząstki i wpływa na jej ruch w sposób, który nie ma odpowiednika w klasycznej mechanice.

  • Potencjał kwantowy w kontekście grawitacji kwantowej

            W kontekście prób zjednoczenia mechaniki kwantowej i teorii grawitacji, potencjał kwantowy może odnosić się do potencjalnych interakcji wynikających z kwantowego pola grawitacyjnego. Choć grawitacja kwantowa nie jest jeszcze w pełni rozwiniętą teorią, pewne modele, takie jak kwantowa teoria pola, sugerują, że grawitacja może być przenoszona przez hipotetyczne cząstki zwane grawitonami.

W takim przypadku potencjał kwantowy mógłby opisywać sposób, w jaki cząstki oddziałują poprzez grawitony na poziomie kwantowym, co stanowiłoby fundamentalną modyfikację klasycznej teorii grawitacji Einsteina.

W chemii kwantowej potencjał kwantowy pojawia się w kontekście modelowania interakcji między elektronami i jądrami atomowymi. W ramach takich teorii, jak np. teoria funkcjonału gęstości (DFT), stosuje się różne formy potencjałów kwantowych do opisywania energii układów atomowych, molekularnych i elektronowych w sposób kwantowy. Tego rodzaju potencjały są używane do przewidywania struktur molekularnych, reakcji chemicznych i właściwości materiałów.

            Ogólnie rzecz biorąc, potencjał kwantowy można rozumieć jako efekt specyficznie kwantowych interakcji, które wpływają na zachowanie cząstek w sposób, który nie jest przewidziany przez mechanikę klasyczną. Potencjał ten często wynika z efektów interferencyjnych, tunelowania kwantowego i innych charakterystycznych dla mechaniki kwantowej zjawisk.

  • Koncepcja grawitacji jako wymiaru a inne współczesne koncepcje

            Przedstawiona w niniejszym artykule koncepcja dotycząca grawitacji jako wymiaru, a nie siły, nawiązuje do współczesnych teorii fizycznych, które w pewien sposób zmieniają tradycyjne rozumienie grawitacji. Istnieją takie teorie, które w kontekście fizyki kwantowej próbują wyjaśnić grawitację jako wynik geometrii czasoprzestrzeni, a nie jako siłę w tradycyjnym sensie.

Najbardziej znana teoria opisująca grawitację jako zjawisko geometryczne to ogólna teoria względności Alberta Einsteina. W tej teorii grawitacja jest efektem zakrzywienia czasoprzestrzeni przez masę i energię. W tym sensie grawitacja nie jest „siłą” jak elektromagnetyzm, lecz bardziej właściwością samej struktury rzeczywistości, a zatem może być również wymiarem w zaproponowanej powyżej koncepcji oraz wyrażonej odpowiednio we wzorze.

            Fizyka kwantowa operująca w innym, mikroskopijnym zakresie i próbująca wyjaśnić wszystkie siły, w tym grawitację, za pomocą kwantowych cząstek (kwantów oddziaływań), jak choćby wspomniana wcześniej hipoteza istnienia przypuszczalnych cząstek zwanych grawitonami, które miałyby przenosić grawitację, podobnie jak fotony przenoszą elektromagnetyzm, jak i ogólna teoria względności – jak dotychczas nie doczekały się spójnego połączenia w tzw. kwantową teorię grawitacji, będąc wciąż przedmiotem badań.

Jednocześnie zawarta powyżej koncepcja autora, zgodnie z którą grawitacja może być związana bardziej z wymiarem niż z tradycyjną „siłą”, znajduje również odzwierciedlenie w niektórych nowoczesnych teoriach fizyki, takich jak teoria strun i koncepcje związane z dodatkowymi wymiarami. W tych teoriach przestrzeń może mieć więcej wymiarów niż cztery (trzy przestrzenne i czas), a grawitacja może być zjawiskiem wynikającym z tego, jak te dodatkowe wymiary oddziałują z czasoprzestrzenią.

Warto zaznaczyć, że teoria strun i jej rozwinięcia, takie jak teoria M, rozpatrują możliwość istnienia wielu dodatkowych wymiarów, które są niewidoczne na co dzień, a grawitacja mogłaby być manifestacją tych ukrytych wymiarów w naszej rzeczywistości.

Twoja koncepcja jest więc w zgodzie z niektórymi współczesnymi próbami wyjaśnienia grawitacji i zasługuje na dalsze eksplorowanie w kontekście fizyki teoretycznej.

  • Konsekwencje potwierdzenia przedstawionej koncepcji grawitacji

            Gdyby przedstawiona powyżej teoria grawitacji, która uwzględnia masę, gęstość, przestrzeń i potencjał kwantowy, okazała się prawdziwa, miałoby to ogromne konsekwencje zarówno dla naszego rozumienia wszechświata, jak i dla technologii, które mogłyby z tego wyniknąć. Potwierdzenie zaprezentowanej powyżej teorii mogłoby skutkować nowym spojrzeniem na strukturę wszechświata. Wymagałaby modyfikacji zarówno klasycznej mechaniki Newtona, jak i ogólnej teorii względności Einsteina. Oznaczałoby to, że nasze dotychczasowe modele grawitacji i czasoprzestrzeni byłyby niekompletne, a konieczne byłoby wprowadzenie nowych równań i interpretacji.

Zmiana sposobu, w jaki postrzegamy grawitację, miałaby wpływ na nasze rozumienie takich zjawisk kosmologicznych, jak ekspansja wszechświata, ciemna materia, ciemna energia oraz formowanie się struktur galaktycznych. Mogłoby to wyjaśnić niektóre zagadki kosmologiczne, których obecne teorie nie potrafią rozwiązać, np. nierównomierne rozmieszczenie materii we wszechświecie.

Teoria zakładająca wpływ gęstości i potencjału kwantowego na grawitację mogłaby zmienić nasze rozumienie tego, jak czarne dziury oddziałują z otoczeniem. Mogłoby to prowadzić do nowego spojrzenia na horyzont zdarzeń, paradoks informacyjny i to, jak czarne dziury mogą oddziaływać z innymi obiektami. Teoria powyższa mogłaby również pomóc w zrozumieniu hipotetycznych egzotycznych obiektów, takich jak gwiazdy neutronowe czy wormhole, które wymagają nowych modeli grawitacyjnych. Możliwe, że odkrycie nowych właściwości grawitacji pozwoliłoby na wykrycie tych obiektów w inny sposób niż dotychczas.

Jeśli udałoby się zrozumieć, jak gęstość, przestrzeń i potencjał kwantowy wpływają na grawitację, być może moglibyśmy opracować technologię, która pozwalałaby na manipulowanie polem grawitacyjnym. Tego typu technologie mogłyby umożliwić znacznie szybsze podróże kosmiczne, potencjalnie nawet umożliwiając podróże międzygwiezdne na dużą skalę. Zmiana naszego rozumienia grawitacji mogłaby także otworzyć drzwi do teoretycznej możliwości podróży z prędkościami nadświetlnymi lub badania, jak zakrzywienie czasoprzestrzeni mogłoby wpływać na podróże w czasie.

            Jeśli okazałoby się, że gęstość ma wpływ na grawitację, powodując, że obiekty o różnej gęstości mogą przyciągać się w inny sposób, niż te o tej samej masie, mogłoby to zmienić nasze rozumienie oddziaływań między planetami, gwiazdami czy nawet czarnymi dziurami.

Połączenie, integracja mechaniki kwantowej i grawitacji mogłoby być krokiem w kierunku stworzenia teorii kwantowej grawitacji, która zjednoczyłaby mechanikę kwantową z ogólną teorią względności. To jedno z najważniejszych wyzwań współczesnej fizyki. Taki rozwój mógłby prowadzić do odkrycia grawitonów (hipotetycznych cząstek odpowiedzialnych za przenoszenie siły grawitacji), a także do lepszego zrozumienia ekstremalnych zjawisk, takich jak czarne dziury i wielki wybuch. Dalszymi konsekwencjami mogłoby być również lepsze zrozumienie mikrostruktury czasoprzestrzeni, gdyż jeśli grawitacja zależałaby od potencjału kwantowego, mogłoby to prowadzić do lepszego zrozumienia natury czasoprzestrzeni na poziomie kwantowym i rzucić nowe światło na pytania o naturę osobliwości w czarnych dziurach i wczesnym wszechświecie.

            Gdyby zaproponowana teoria miała zastosowanie w praktycznych warunkach, mogłaby prowadzić do rewolucji w technologii, w szczególności w dziedzinie pozyskiwania energii z grawitacji lub kwantowej natury materii. Nowe podejście do grawitacji mogłoby otworzyć drogę do bardziej efektywnych metod manipulacji polem grawitacyjnym. Pionierem w takim podejściu do pozyskiwania energii był serbski uczony Nikola Tesla. Jednocześnie potwierdzenie istnienia potencjału kwantowego, który wpływa na grawitację, mogłoby przyspieszyć rozwój technologii kwantowych, takich jak komputery kwantowe i teleportacja kwantowa. Zrozumienie tych procesów mogłoby mieć bezpośrednie zastosowanie w komunikacji i obliczeniach.

            Rozpatrując filozoficzne i społeczne implikacje wynikające z potwierdzenia przedstawionej w niniejszym artykule koncepcji grawitacji, oznaczałoby to unaocznienie, iż nasza rzeczywistość na fundamentalnym poziomie jest bardziej złożona, a grawitacja zależy od kwantowych właściwości przestrzeni i materii. Mogłoby to zmienić nasze rozumienie wszechświata i naszego miejsca w nim. Ponadto odkrycia takiej skali mogłyby wzbudzić ogromne zainteresowanie fizyką i naukami ścisłymi, co mogłoby przyczynić się do rozwoju edukacji i badań w tych dziedzinach.

Podsumowanie

            Potwierdzenie przedstawionej teorii grawitacji wymagałoby jej rozwinięcia i szczegółowych badań. Jest ona owocem wieloletnich rozważań nad naturą Wszechświata, jego mechaniki, początku i przewidywanego końca. Jej potwierdzenie miałoby rewolucyjne skutki dla naszego rozumienia fizyki, kosmologii i technologii mogąc prowadzić do odkrycia nowych zjawisk fizycznych, zrozumienia kwantowej natury grawitacji i rozwinięcia technologii pozwalających na manipulację czasoprzestrzenią, co z kolei mogłoby zrewolucjonizować nasze możliwości badawcze, a nawet otworzyć drogę do podróży międzygwiezdnych.

Bibliografia:

  1. Goldstein Herbert „Mechanika klasyczna”
  2. Landau Lew D., Lipszyc Jewgienij M. „Podstawy fizyki teoretycznej”
  3. Griffiths David J. „Introduction to Quantum Mechanics”
  4. Weinberg Steven „The Quantum Theory of Fields”
  5. Misner Charles W., Thorne Kip S., Wheeler John Archibald „Gravitation”
  6. Schwarz Matthew D. „Quantum Field Theory and the Standard Model”
  7. Hawking Stephen „Krótka historia czasu”
  8. Greene Brian „The Elegant Universe”
  9. Feynman Richard P. „Quantum Mechanics and Path Integrals”
  10. Penrose Roger „The Road to Reality: A Complete Guide to the Laws of the Universe”