Raziskovalna pobuda,
ki pojasni temno snov in temno energijo
Franc Rozman
Pot do razumevanja temne snovi je v poglabljanju razumevanja lastnosti svetlobe.
V strokovni literaturi najdemo nasprotujoče si podatke o dogajanju na Soncu. Nekateri podatki kažejo, da temperatura sončevega izbruha dosega več deset milijonov K (kelvinov), druge meritve kažejo vsega 80.000 K. Tudi glede hitrosti delcev na Soncu so podatki različni. Ene meritve kažejo, da se curki snovi sončevega izbruha gibljejo več sto, celo do tisoč km/s, druge meritve pa kažejo hitrosti le do 30 km/s. Tudi glede curkov snovi, ki se dvigajo nad granulami na Soncu, so pogledi različni. Nekateri članki objavljajo hitrosti teh curkov snovi od 15 do 100 km/s, drugi članki govorijo o dokaj mirni sončevi površini, kjer so hitrosti žarečih delcev na primer le do 5 km/s. V tem zapisu so podane pobude za raziskavo razlogov za tako različne poglede na sončevo dogajanje. Končni cilj raziskave pa je dokončna pojasnitev temne snovi in terne energije.
Uvod
Za uskladitev omenjenih neskladij v merilnih rezultatih morda ne bodo zadoščali le lepotni popravki aktualno poznanih fizikalnih zakonitostih. Morda bodo potrebni globlji posegi v fizikalne zakonitosti.
Izpostavim naj vpliv hitrosti vira svetlobe na valovno dolžino svetlobe. V splošnem je to opisano v Dopplerjevem zakonu, ki opisuje, kako hitrost vira svetlobe vpliva na njeno valovno dolžino.
Dopplerjev zakon opisuje razmere, ko se vir svetlobe giblje v smeri opazovalca. Na valovno dolžino svetlobe pa hipotetično lahko vpliva tudi prečna hitrost vira svetlobe, seveda po drugih, še neraziskanih zakonih. Tega vpliva brez meritev ne moremo in ne smemo zanikati.
Še bolj izstopajo meritve in opažanja, da hitrost vira svetlobe po Dopplerjevem zakonu vpliva na valovno dolžino svetlobe le v nekaterih okoliščinah, ne vedno. Brez nekih posebnih okoliščin hitrost vira svetlobe ne vpliva na valovno dolžino svetlobe, kot je pojasnjeno v nadaljevanju.
Meritve kažejo, da ovira (mrežica) na poti svetlobe le-tej lahko spremeni valovno dolžino, ob prehodu svetlobe skozi mrežico. Rezultate teh meritev najdemo kot obrobni rezultat pri opisu drugih merjenj. Namenska tovrstna meritev v fiziki še ni bila opravljena, je pa nujna za globlje razumevanje svetlobe.
V fiziki torej še niso opravljena nekatera ključna merjenja, tista merjenja, ki lahko enoumno odgovorijo na izpostavljena vprašanja in dileme. S tem pa je dana vzpodbuda raziskovalcem za reševanje teh odprtih vprašanj. Odgovore na nepojasnjena vprašanja naj seveda temeljijo predvsem na novih manjkajočih neposrednih meritvah.
Merjenje valovne dolžine svetlobe s Sonca.
V literaturi najdemo meritve valovne dolžine svetlobe s Sonca. Ena od njih je opisana v članku[1] ‘The shape of spectral lines‘. Za potrebe razumevanja vpliva hitrosti delcev na Soncu na valovno dolžino svetlobe, je izpostavljena spektralna črta, ki jo prikazuje Slika 1. Ta spektralna črta v svetlobi s Sonca se pojavlja pri valovni dolžini 6546,25 A (A- angstrom je enota za merjenje dolžin 10-10 m). Širina spektralne črte znaša 0,12 A (+-0,06 A).
Spektralno črto ustvarja množica molekul na Soncu, ki oddajajo svetlobo. Le-te se pestro gibljejo z različnimi hitrostmi. Preseneča ozkost spektralne črte, ki po Dopplerjevem zakonu dovoljuje zelo majhne hitrosti teh delcev, le do nekaj km/s.
Slika 1
Hitrost delcev na Soncu je odvisna od temperature na Soncu, ki ustvarja termične hitrosti delcev. Odvisne pa so tudi od turbulenc in izbruhov snovi na površini Sonca. Nad granulami se ustvarjajo navpični curki snovi (spicule), ki bruhajo žareče delce s hitrostmi od 15 do 100 km/s. Curki snovi se na višinah nekaj tisoč km obrnejo in padajo nazaj na površino Sonca. Granule s curki snovi se dogajajo na celotni površini Sonca, saj granule pokrivajo celotno površino Sonca.
Ti gibajoči delci bi na osnovi Dopplerjevega zakona morali izdatno vplivati na valovno dolžino svetlobe, s tem pa izdatno razširiti na sliki prikazano spektralno črto, pa se to ne zgodi.
Razmerje med hitrostjo delcev (Δv) in spremembo valovne dolžine Δλ po Dopplerjevem zakonu lahko grobo ocenimo na osnovi enačbe Δv/c = Δλ/λ. Po tej enačbi hitrost delcev na Soncu na osnovi širine prikazane spektralne črte ne bi smele presegati nekaj km/s. V to hitrost so vštete tako termične hitrosti, kot curki snovi.
Tako majhen raztros valovnih dolžin spektralne črte, kot je prikazan na Sliki 1, je torej lahko posledica tega,:
- da hitrost vira svetlobe ne vpliva na valovno dolžino svetlobe ali
- da imajo delci na Soncu zelo majhne hitrosti, ki ne presegajo nekaj km/s.
Tu obstaja nevarnost, da se čustveno odločimo za eno od možnosti, namesto da poiščemo meritve, ki nam znanstveno odgovorijo na to vprašanje. Čustveno odločanje nas oddaljuje od znanosti.
Odločitev za en in drug izbor pa v vsakem primeru povzroča čustven pretres. Prva varianta res omogoča sproščen pogled na dogajanje na Soncu, brez omejitev hitrosti in temperatur zaradi ozke spektralne črte, pomeni pa velik poseg v aktualno fizikalno znanje.
Drug izbor ohranja aktualno znanje za ceno sklepanja in predpostavke o zelo umerjenem dogajanju na Soncu. Tako sklepanje se upira našemu pogledu na brutalne procese, ki jih vidimo na Soncu.
Vpliva prečnih hitrosti na valovno dolžino svetlobe
Če odgovor na dilemo (bodisi da hitrost vira svetlobe ne vpliva na valovno dolžino, oziroma da imajo delci na Soncu zelo majhne hitrosti) pustimo še odprt, se v primeru, da hitrost vira svetlobe po Dopplerjevem zakonu ne vpliva na valovno dolžino, postavi vprašanje, kaj povzroča kljub temu opažene spremembe valovne dolžine v obliki širine spektralne črte. Spektralna črta namreč kaže nek manjši raztros valovnih dolžin, precej manjši, kot bi ga pričakovali na osnovi Dopplerjevega zakona.
Raztros hipotetično lahko povzročajo prečne hitrosti delcev. Mirujoči opazovalec v točki A na Sliki 2 meri valovno dolžino svetlobe v smeri gibanja valov. Meri valovno dolžino vala, to je razdaljo med točkama A in B
Če pa se opazovalec giblje prečno glede na vir svetlobe, pa se opazovalec giblje med točkama C in D in valovne dolžine meri pod kotom. Meri razdaljo med točama C in D. Tako izmerjena valovna dolžina istega vala je večja, kot med točkama A in B.
Slika 2
Spremembe valovne dolžine zaradi prečne hitrosti vira svetlobe so lahko za več razredov manjše od sprememb valovnih dolžin, kot jih določa Dopplerjev zakon. Zato tudi pri velikih prečnih hitrostih delca spremembe valovne dolžine ostajajo znotraj širine spektralne črte na Sliki 2.
Hipoteza o vplivu prečnih hitrosti na valovno dolžino svetlobe ne sme biti stvar filozofskih razprav ampak namenskih meritev, ki hipotezo enoumno znanstveno potrdijo ali zavrnejo.
Hipoteza
Opisane meritve in navedena izhodišča nas vabijo, da raziščemo in z meritvami ocenimo naslednjo hipotezo:
Hitrosti vira svetlobe v smeri ponora po Dopplerjevem zakonu vpliva na frekvenco svetlobe, ne pa na njeno valovno dolžino.
Hipotezo tehnološko najlažje in najbolj zanesljivo izmerimo na osnovi merjenja svetlobe s kometa. Ta se giblje dovolj hitro, po drugi strani pa na njem ni turbulenc, ki bi ovirale meritev. Problem kometa je v tem, da ni vedno prisoten. Hipotezo lahko preverimo tudi na osnovi mejenja svetlobe s planetov Mars ali Jupiter, kadar se glede na Zemljo gibljeta z zadostnima hitrostma.
Vedno prisotno je Sonce, zato hipotezo skušamo dokazati na osnovi meritev svetlobe s Sonca.
Meritev svetlobe s sončevega izbruha
Predpostavke o ‘mirujoči’ in ‘hladni’ površini Sonca ni mogoče enoumno preveriti. Bolj kot površina Sonca je merljiv sončev izbruh. Plazmo sončevega izbruha lahko neposredno opazujemo. Merimo lahko razdalje, ki jih plazma sončevega izbruha prepotuje v nekem času. Meritve kažejo, da so tipične hitrosti delcev v izbruhu nekaj sto do tisoč km/s ob temperaturah več deset milijonov K.
Po drugi strani tak sončev izbruh lahko merimo na osnovi meritev valovne dolžine svetlobe, ki prihaja s sončevega izbruha. Rezultat take meritve je opisan v članku: The development of lower-atmosphere turbulence early in a solar flare[2]. Enega od rezultatov meritve kaže Slika 3.
Slika 3
Slika kaže raztros svetlobe v velikosti 0,3 A (+-0,15 A). Glede na Dopplerjev zakon tak raztros valovnih dolžin pomeni raztros hitrosti delcev največ do +-30 km/s. Te hitrosti delcev so tudi omenjene v članku. V članku je omenjena tudi temperatura izbruha 80.000 K.
V realnosti so hitrosti plazme v sončevem izbruhu vsaj za razred večje. Sončev izbruh ima poleg velikih hitrosti curka snovi tudi velike termične hitrosti delcev. Temperatura snovi v sončevem izbruhu znaša nekaj deset milijonov K in ne le 80.000 K kot je omenjeno v članku.
Raztros spektralne črte, kot je prikazan na sliki ne more biti rezultat Dopplerjevega zakona. Lahko je le rezultat mnogo manjših vplivov prečnih hitrostmi delcev, kot je pojasnjeno na Sliki 1.
Valovna dolžina svetlobe lahko sledi Dopplerjevemu zakonu
Pri nekaterih meritvah valovna dolžina svetlobe presenetljivo sledi Dopplerjevem zakonu. Kje in kdaj?
Valovno dolžino svetlobe merimo s pomočjo teleskopov. Teleskop zajame svetlobo z opazovanega objeta in jo usmeri na merilnik valovne dolžine. Na poti svetlobe skozi teleskop se lahko pojavljajo različne mehanske ovire, na primer mrežice, na katerih astronomi opazujejo sliko, ki jo teleskop pošlje na merilni instrument. Te ovire svetlobi lahko spremenijo valovno dolžino.
Svetloba tako oviro (mrežico) zapusti s svetlobno hitrostjo, ne glede s kakšno hitrostjo svetloba vpade na oviro. V kolikor je vpadna hitrost svetlobe na oviro različna od svetlobne hitrosti, ovira svetlobi povrne svetlobno hitrost na način, da se svetlobi spremeni valovna dolžina.
Ni nujno, da vsa svetloba naleti na oviro. Valovna dolžina svetlobe se lahko spremeni le delu svetlobe. Posledično isto spektralno črto na merilniku lahko zaznamo pri dveh valovnih dolžinah.
Spektralna črta, ki jo ustvari svetloba, ki na poti do merilnika ni ovirana, kaže vedno enako valovno dolžino svetlobe, ne glede na hitrost vira svetlobe. Tista svetloba, ki pa v teleskopu naleti na oviro, pa se ji valovna dolžina spremeni skladno z Dopplerjevim zakonom.
Slika 4
Rezultat take meritve je prikazan na Sliki 4. Prikazuje meritev spektralne črte s kometa. Meritev je opisana v članku 6300 Large Aperture Photometry of Comet Hale-BOPP. Vrh Λ prikazuje valovno dolžino svetlobe, ki na poti ni ovirana. Valovna dolžina posledično ni odvisna od hitrosti kometa. Vrh F pa predstavlja valovno dolžino svetlobe, ki ji mrežica v teleskopu spremeni valovno dolžino. Na osnovi vrha F lahko merimo hitrost vira svetlobe skladno z Dopplerjevim zakonom.
Pojav dvojne slike spektralne črte je astronomom poznan. Spektralna črta, ki se ji valovna dolžina ne spreminja s hitrostjo vitra svetlobe, služi astronomom kot nični odmik spektralne črte in olajša merjenje spektralne črte, kateri se valovna dolžina spreminja skladno z Dopplerjevim zakonom.
Kot uspešno ‘oviro’ svetlobi lahko uporabimo uklonsko mrežico. V tem primeru se pojavi predvsem vrh F, ker se glavnini svetlobe spremeni valovna dolžina.
Cilj raziskave
Ta dokument na prvi pogled opisuje neke raziskave, ki nimajo nekega ključnega vpliva ba naše življenje. Kakšne koristi torej lahko pričakujemo od te raziskave? Svetloba nam prikazuje sliko vesolja. Kaj predstavlja ta slika lahko objektivno razumemo le, če pravilno razumemo način širjenja svetlobe.
Ta del raziskave je ključnega pomena. Napačno razumevanje ustroja vesolja se kaže v nujnosti po obstoju temne snovi in terne energije. Objektivna predstava vesolja ne zahteva temne snovi. Pravilno razumevanje ustroja vesolja pokaže, da je pojem temne snovi in terne energije odvečen.
Ko opravimo ta del raziskave pride na vrsto lažji del. To je spoznanje, da si na napačni predstavi o gibanju svetlobe ustvarjamo napačno predstavo o gibanju teles v vesolju. Objektivno poznavanje dinamike v vesolju ne zahteva obstoja temne snovi in temne energije.
Epilog
Albert Camus v romanu Kuga opisuje, kako so se ljudje v mestu Orano izogibali misli, da jih je prizadela kuga. Zavračali so misel na kugo. Podobno se nam dogaja pri opazovanju svetlobe. V lastnostih svetlobe opažamo anomalije. Teh anomalij nočemo videti. Če pa so tako očitne, da jih ne moremo spregledati, jih argumentiramo na prirejen način, kot so v Oranu argumentirali opažene bolezenske simptome. Iskali so načine, kako bi kugo zatajili. Šele, ko so kugo imenovali s pravim imenom, so se ji lahko zoperstavljali. Tudi na področju svetlobe in razumevanja vesolja bo podobno. Ko bomo izpostavili odstopanje obnašanja svetlobe od znanih fizikalnih zakonitosti, jih bomo lahko uspešno pojasnili.
[1] ‘The shape of spectral lines’ (http://spiff.rit.edu/classes/phys440/lectures/lines/lines.html )