Električno vesolje: plazma, elektromagnetizem in alternativna kozmologija

Vesolje je plazemsko — vendar to še ni teorija »Električnega vesolja«

Plazma je ionizirano stanje snovi, v katerem se elektroni in ioni lahko kolektivno odzivajo na električna in magnetna polja. Velik del običajne vidne snovi v zvezdah in medzvezdnem prostoru je v plazemskem stanju. V bližnjem vesolju plazmo neposredno merimo v sončnem vetru, magnetosferah, ionosferi in Sončevi atmosferi. [1][3]

Iz tega pa ne sledi en sam kozmološki model. Plazemska fizika je danes standardni del astrofizike, heliosferne fizike in fizike zvezd. Magnetohidrodinamika (MHD), kinetična teorija plazme, valovi, turbulence, tokovne plasti in rekonekcija so običajna orodja sodobnega raziskovanja. Zato trditev »v vesolju obstajajo veliki električni tokovi« ni alternativa standardni fiziki. Je njen del.

Razlika se pojavi pri naslednjem koraku: ali ti tokovi samo sodelujejo v dinamiki že obstoječih astrofizikalnih sistemov ali pa predstavljajo glavni zunanji vir energije za zvezde in prevladujoči organizacijski mehanizem kozmosa. To drugo je bistveno močnejša trditev.

Birkeland: tokovi iz vesolja so bili napovedani in nato izmerjeni

Norveški fizik Kristian Birkeland je ob prelomu 20. stoletja povezal polarni sij z električnimi tokovi, ki naj bi tekli vzdolž geomagnetnega polja med vesoljem in polarno ionosfero. Dolgo je bila zamisel sporna. Satelitske meritve so v drugi polovici 20. stoletja pokazale, da takšni tokovi res obstajajo. Danes jih imenujemo Birkelandovi oziroma vzdolžno-poljski tokovi. Tipični tokovni sistemi lahko prenašajo tokove reda milijon amperov ali več. [1]

To je pomembna zgodovinska lekcija. Vesolje ni električno »mrtvo« in plazma ne preprečuje vseh makroskopskih električnih tokov. Tokovi lahko tečejo vzdolž magnetnih polj, energija in gibalna količina pa se lahko prenašata med sončnim vetrom, magnetosfero in ionosfero. [1][2]

Toda Birkelandovi tokovi okoli Zemlje ne pomenijo avtomatično, da analogni galaktični tokovi napajajo Sonce. Potrditev enega toka v enem fizikalnem sistemu potrjuje mehanizem tam, kjer je izmerjen; ne potrjuje brez dodatnih meritev vsakega večjega tokokroga, ki si ga lahko zamislimo.

Hannes Alfvén: zakaj je opozarjal na tokove, filamente in dvojne plasti

Hannes Alfvén je leta 1970 prejel polovico Nobelove nagrade za fiziko »za temeljno delo in odkritja v magnetohidrodinamiki z uspešnimi uporabami v različnih delih fizike plazme«. [4] Njegov pomen za vesoljsko fiziko je izjemen: Alfvénovi valovi, MHD in njegova opozorila, da idealizirane plazemske aproksimacije lahko spregledajo tokovne plasti, filamente, dvojne plasti ter močna lokalna električna polja, so postali trajen del področja. [5]

V Nobelovem predavanju je posebej poudarjal razliko med idealiziranimi homogenimi modeli in dejansko, pogosto filamentarno ter nehomogeno plazmo. Opozarjal je tudi, da zgolj risanje magnetnih silnic lahko zakrije fizikalno vlogo tokovnih krogov. [5]

Toda iz tega ne sledi, da je bila Nobelova nagrada podeljena za plazemsko kozmologijo ali za sodobno teorijo Električnega vesolja. Alfvén je res razvijal tudi nekonvencionalne kozmološke ideje, med drugim simetrični model snovi in antisnovi oziroma »ambiplazme«. To je bila ločena raziskovalna smer, ne vsebina njegove Nobelove nagrade. [4][6]

Plazemska kozmologija ni povsem isto kot današnje Električno vesolje

V šestdesetih do osemdesetih letih so Alfvén, Anthony Peratt in nekateri drugi raziskovalci raziskovali modele, v katerih imajo kozmični tokovi in magnetizirane plazme veliko vlogo pri nastajanju velikih struktur. Peratt je na primer izvajal tridimenzionalne particle-in-cell simulacije interakcij velikih tokovnih filamentov in jih primerjal z morfologijo radijskih virov ter galaksij. [6][7]

To zgodovino je vredno predstaviti korektno: izraz plazemska kozmologija ni nastal samo kot internetni pojav. Obstajajo objavljeni tehnični modeli in resna zgodovina plazemske astrofizike. Hkrati ti modeli niso postali prevladujoča kozmologija, ker mora kozmološki model hkrati pojasniti veliko širši nabor opazovanj — širjenje vesolja, kozmično mikrovalovno ozadje, primordijske gostotne fluktuacije, nastanek struktur, gravitacijsko lečenje in druge neodvisne podatke. [15][16]

Sodobno gibanje Electric Universe, kot ga predstavlja Thunderbolts Project, gre še dlje. Njegovi lastni opisi trdijo, da so električni tokovi temeljni pri organizaciji galaksij in zvezd, da se lahko zvezde napajajo iz galaktičnih tokov in da standardna kozmologija po njihovem mnenju ne potrebuje velikega poka, temne snovi, temne energije, nevtronskih zvezd ali črnih lukenj. [10][11] To je mnogo širši paket trditev od preproste ugotovitve, da je kozmična plazma elektromagnetno aktivna.

Standardna astrofizika ni »samo gravitacija«

Ena od osrednjih retoričnih točk Električnega vesolja je nasprotje med »gravitacijskim vesoljem« in »električnim vesoljem«. Toda sodobna astrofizika te delitve ne uporablja. Na različnih skalah in v različnih okoljih sodelujejo gravitacija, elektromagnetizem, jedrska fizika, sevanje, hidrodinamika in plazemska kinetika.

Pri gibanju nabitih delcev v magnetosferi ali sončnem vetru je elektromagnetna sila pogosto veliko pomembnejša od gravitacije. Pri vezavi skoraj električno nevtralnega planeta, zvezde, zvezdne kopice ali velike količine temne in barionske snovi pa lahko gravitacija prevlada na velikih skalah. V akrecijskih diskih okoli kompaktnih objektov gravitacija zagotavlja energijski rezervoar, magnetna polja in turbulence pa omogočajo prenos vrtilne količine ter nastanek curkov. Na Soncu jedrska fuzija zagotavlja večino dolgoročne svetilnosti, plazemski in magnetni procesi pa odločilno oblikujejo atmosfero, pege, izbruhe, koronalne izbruhe mase in sončni veter. [3][8][9]

Zato odkritje električnega polja, toka ali plazemskega filamenta samo po sebi ne predstavlja neuspeha standardne astrofizike. Takšni pojavi so pogosto prav tisto, kar standardni plazemski modeli napovedujejo in merijo.

»Električna sila je veliko močnejša od gravitacije« — res, vendar sklep ni tako preprost

Med dvema posameznima nabitima delcema je elektromagnetna interakcija neprimerljivo močnejša od gravitacijske. Iz tega se v literaturi Električnega vesolja včasih sklepa, da mora elektromagnetizem zato prevladovati tudi pri organizaciji kozmosa. [10]

Toda snov na makroskopskih skalah je navadno zelo blizu električne nevtralnosti. Plazma vsebuje približno uravnoteženo število pozitivnih in negativnih nabojev in se na lokalne elektrostatične motnje odzove s Debyevim zaslonom: nabiti delci se preuredijo tako, da zmanjšajo dolgosežno elektrostatično polje. [12] To ne pomeni, da v plazmi ni električnih polj ali tokov. Nasprotno, vzdolž magnetnih polj lahko obstajajo veliki tokovni sistemi, magnetna polja pa imajo lahko zelo velike dosege. Pomeni le, da iz razmerja sil med dvema golima delcema ne moremo neposredno sklepati na neto silo med dvema skoraj nevtralnima zvezdama ali galaksijama.

Gravitacija ima pri tem pomembno lastnost: masa nima pozitivne in negativne različice, ki bi se v običajni snovi med seboj izničili. Gravitacijski prispevki se zato seštevajo. Elektromagnetni učinki so lahko lokalno dominantni, vendar moramo za vsak makroskopski sistem dejansko izmeriti ali izračunati porazdelitev naboja, tokove, polja in energijo.

Magnetna rekonekcija: resničen in neposredno opazovan električno-plazemski pojav

Magnetna rekonekcija je proces, pri katerem se v ozki plazemski plasti spremeni topologija magnetnega polja in se energija magnetnega polja pretvori v gibanje, segrevanje ter pospeševanje delcev. NASA-jeva misija MMS je neposredno vzorčila območje elektronske difuzije v Zemljini magnetopavzi ter merila električna polja, tokove in značilne porazdelitve elektronov. [2][13]

To je dober primer, zakaj sta dve skrajnosti napačni. Napačno je trditi, da »uradna astronomija« ne priznava električnih tokov in plazemskih električnih polj. Prav tako pa je napačno iz obstoja rekonekcije sklepati, da je vsak visokenergijski astronomski pojav električni razelektritveni dogodek v laboratorijskem smislu.

Rekonekcija deluje znotraj dobro definirane plazemske fizike, kjer so pomembni lokalna geometrija magnetnega polja, tokovne plasti, gostota, temperatura, hitrost toka in kinetični učinki delcev. Beseda »električno« sama po sebi še ni mehanizem.

Električno Sonce: najmočnejši test hipoteze

Thunderbolts Project neposredno povezuje sodobni model Električnega vesolja z Ralphom Juergensom in idejo električnega Sonca. V njihovih besedilih je predstavljena možnost, da Sonce ni primarno napajano z jedrsko fuzijo v notranjosti, ampak z zunanjimi električnimi tokovi iz galaktičnega okolja. [10][11]

To je izredno močna in zato tudi dobro preverljiva trditev. Če je glavni energijski vir Sonca fuzija vodika v sredici, morajo jedrske reakcije proizvajati značilen tok nevtrinov. Prav to merimo. Borexino je neposredno zaznal pp-nevtrine, ki nastajajo v začetni reakciji protonsko-protonske verige, in pokazal, da je približno 99 odstotkov Sončeve energije povezane s pp-verigo. [8] Leta 2020 je isti eksperiment neposredno zaznal še nevtrine iz cikla CNO, ki prispeva približno en odstotek Sončeve energije. [9]

Nevtrini so pri tem posebno pomembni, ker iz sredice skoraj nemoteno uidejo in zato predstavljajo neposredno meritev jedrskih procesov globoko v Soncu. Magnetna aktivnost fotosfere in korone je resnična, prav tako plazemski tokovi in električna polja; vendar ti pojavi ne izničijo jedrskega izvora dolgoročne Sončeve svetilnosti.

Zato je trditev, da je jedrska sredica zgolj nedokazana domneva, danes težko združljiva z neposrednimi nevtrinskimi meritvami.

Korona je bolj vroča od fotosfere — vendar to ni dokaz zunanjega napajanja Sonca

Sončeva korona dosega temperature milijonov kelvinov, medtem ko je vidna fotosfera precej hladnejša. To je zgodovinsko predstavljalo velik problem in ostaja aktivno raziskovalno področje glede relativnega pomena različnih mehanizmov. Toda sodobni modeli vključujejo prav elektromagnetne in plazemske procese: magnetno rekonekcijo, valove, turbulence, tokovne plasti in pretvorbo magnetne energije v toploto. [3][13]

Povedano drugače, koronalni problem je problem plazemske fizike znotraj standardne sončne fizike, ne dokaz, da energija celotnega Sonca prihaja iz zunanjega galaktičnega tokokroga. Odprto vprašanje o natančnem deležu posameznih mehanizmov ne izniči neodvisnih dokazov za fuzijo v sredici.

To je splošno pravilo, pomembno tudi zunaj tega članka: nerešen pojav znotraj teorije ni avtomatično dokaz določene alternativne teorije. Alternativa mora sama napovedati meritve in se z njimi ujemati bolje.

Kometi so električno aktivni — vendar Rosetta kaže tudi nekaj zelo konkretnega

Komet, ki se približa Soncu, vstopi v sončni veter in razvije ionizirano komo. Nastajajo plazemski valovi, inducirana magnetosfera, tokovi in kompleksna elektromagnetna interakcija. Električni in magnetni pojavi okoli kometov so torej resnični. Rosetta je pri kometu 67P/Čurjumov–Gerasimenko merila prav takšno interakcijo. [14]

Toda jedro 67P po meritvah Rosette in Philaeja ni imelo zaznavnega lastnega magnetnega polja; izmerjeno polje je bilo skladno z zunanjim medplanetarnim poljem sončnega vetra. [17] Rosetta je hkrati neposredno spremljala vodo in led. Ko se je komet približeval Soncu, se je segrevanje povečalo, vodni led je sublimiral in proizvodnja vodne pare je močno narasla proti periheliju. Opazovan je bil tudi dnevni cikel sublimacije in ponovnega zamrzovanja površinskega ledu. [18][19]

To ne pomeni, da plazemska fizika pri kometih ni pomembna. Pomembna je predvsem pri interakciji kome in ioniziranega plina s sončnim vetrom. Meritve pa ne zahtevajo električnega razelektritvenega modela kot glavnega vzroka običajne kometne aktivnosti. Sončno segrevanje in sublimacija sta neposredno opazovana.

Filamenti niso podpis enega samega mehanizma

Eden vizualno najmočnejših argumentov Električnega vesolja je filamentarna zgradba narave. Plazemski tokovi lahko dejansko tvorijo filamente in tokovne plasti; Alfvén je temu namenjal veliko pozornosti, podobne strukture pa vidimo v laboratorijskih in vesoljskih plazmah. [5][7]

Toda tudi gravitacijski sistemi tvorijo filamente. V standardni kozmologiji se začetne gostotne fluktuacije pod gravitacijo razvijejo v kozmično mrežo z vozlišči, stenami in filamenti. Kozmično mikrovalovno ozadje, ki ga je z visoko natančnostjo izmerila misija Planck, vsebuje zgodnje gostotne fluktuacije, iz katerih nastanejo poznejše strukture. [15][16]

Zato podobnost oblike — filament v laboratorijski plazmi, filament v molekularnem oblaku, filament kozmične mreže — še ne dokazuje identičnega vzroka. Za mehanizem potrebujemo meritve polj, mase, hitrosti, temperature, ionizacije in dinamike, ne samo vizualne analogije.

Kaj pomeni zavrnitev velikega poka, temne snovi in črnih lukenj?

Thunderbolts Project v svojem lastnem opisu navaja, da njihov pogled ne potrebuje velikega poka, temne snovi, temne energije, nevtronskih zvezd ali črnih lukenj. [10] Takšna trditev ni majhna prilagoditev astrofizike, ampak zahteva alternativno razlago celotnega sklopa medsebojno povezanih opazovanj.

Pri velikem poku na primer ne gre samo za širjenje galaksij. Kozmično mikrovalovno ozadje ima skoraj popoln toplotni spekter in natančen vzorec anizotropij; Planck ga je izmeril po celotnem nebu in standardni kozmološki model zelo dobro opisuje velik del njegove strukture. [15][16] Model ima odprta vprašanja in napetosti, vendar alternativna kozmologija ne zmaga s tem, da pokaže, da je neko vprašanje odprto. Pokazati mora, da kvantitativno reproducira isti nabor podatkov ali napove boljše rezultate.

Enako velja za temno snov in kompaktne objekte. Njihova interpretacija se lahko preverja in izpopolnjuje, toda zamenjava celotnega okvira zahteva alternativni model z enačbami, napovedmi in primerjavo z neodvisnimi meritvami.

Kje je torej resnična meja?

Električno vesolje se dotakne nečesa zelo resničnega: kozmos je poln plazme, tokov in magnetnih polj, elektromagnetni procesi pa so pri številnih astrofizikalnih pojavih bistveni. Birkelandovi tokovi so resnični. Magnetna rekonekcija je resnična. Sončni veter je magnetizirana plazma. Tokovne plasti, plazemski valovi in filamentarne strukture so resnični. Alfvénova opozorila, naj vesoljske plazme ne poenostavimo v gladek idealni fluid, so zgodovinsko pomembna. [1][2][3][5]

Vendar iz teh dejstev ne sledijo vse širše trditve sodobnega gibanja. Birkelandov tok pri Zemlji ≠ dokaz galaktičnega kabla, ki napaja Sonce. Plazemski filament ≠ dokaz električnega nastanka galaksije. Koronalno segrevanje ≠ dokaz zunanjega vira Sončeve energije. Električna interakcija kome s sončnim vetrom ≠ dokaz, da kometno aktivnost primarno povzroča razelektritev. [8][9][14][17][18]

Najbolj zanimiv rezultat pregleda dokazov zato ni, da je »električno vesolje« preprosto pravilno ali napačno. Natančnejši sklep je, da je njegov prvi korak — poudarek na plazmi in elektromagnetizmu — popolnoma resen del sodobne fizike, medtem ko več njegovih najbolj prepoznavnih kozmoloških in zvezdnih razširitev ni podprtih z enako kakovostjo dokazov in v nekaterih primerih neposredno trči ob meritve, kot so sončni nevtrini.

Pravo vprašanje torej ni »gravitacija ali elektrika«. Narava uporablja oboje. Vprašanje je, katera sila in kateri mehanizem dejansko nosita energijo, gibalno količino in strukturo v konkretnem sistemu — in ali model to pokaže z merljivimi napovedmi.