Nie je látka rozšírenejšia a nepochopiteľnejšia ako temná hmota. Je fyzika schopná pochopiť tento obrovský nevyriešený problém?
Sedím za svojím stolom na Washingtonskej univerzite a snažím sa šetriť energiu. Nestrácam to, ale moje modely počítačov. Aj keď kolegovia o mne mohli povedať to isté. Keď ľuďom poviem, že pracujem na špekulatívnych teóriách o temnej hmote, začnú ma podozrievavo vnímať. Myslím si, že tomuto všetkému nikto na univerzite neverí.
Vo svojich prezentáciách sa zameriavam na to, koľko kozmologických problémov by sa dalo vyriešiť. Occamov holiaci strojček je pre mňa akýmsi všeliekom: iba jedno potvrdenie dokáže vysvetliť toľko vecí (Occamov holiaci strojček je metodický princíp, podľa ktorého „by ste nemali priťahovať nové entity, pokiaľ to nie je nevyhnutne potrebné.“Entitami v tejto súvislosti sú fakty, faktory, termíny, ktoré vysvetľujú, čo alebo fenomén. - približne nové čo). Hovorím o veciach, ktoré sa nedajú vysvetliť v rámci všeobecne prijatých konceptov temnej hmoty. Mliečna dráha má zjavne príliš málo satelitných galaxií. Vnútorný stav malých galaxií je nestabilný. Tu mi Occamov holiaci strojček opäť pomáha a tvrdím, že tieto rozpory je možné vyriešiť priradením slabej interakcie k štandardnej tmavej hmote,určitý vzorec slabej interakcie jeho častíc navzájom. Niekto by sa mohol spýtať, či tomu všetkému sám verím. Ťažko povedať.
Svet, ako ho vidíme, je ilúzia, aj keď dosť silná. Postupne sme si zvykli považovať teóriu kvantového poľa, v ktorej je stále veľa nepresností, za skutočnú myšlienku sveta; nie vždy vidíme, čo sa v skutočnosti deje. Tmavú hmotu možno považovať za presvedčivý doplnok k tomuto konceptu. Zdá sa, že väčšina hmoty vo vesmíre je pred nami skrytá. To je pre fyzikov a širokú verejnosť mätúce. Fyzici sa obávajú, že neexistuje definitívna, nevyvrátiteľná definícia tmavej hmoty. Pre všetkých ostatných je ťažké pochopiť niečo také vágne a nepolapiteľné. To všetko má zlovestnú podobnosť s tým, ako vedci spochybňovali existenciu éteru pred viac ako sto rokmi.
Koncom 19. storočia sa vedci snažili pochopiť, ako môžu elektromagnetické vlny (napríklad svetlo) prechádzať vákuom. Keď si predstavíme vlny, myslíme na vodu a potom je zrejmé, že musí existovať nejaký druh nosiča, analóg vody, v ktorom sa budú vlniť elektromagnetické vlny. Takto sa objavila myšlienka „éteru“- nepolapiteľného média, ktoré preniká priestorom.
Americkí vedci Albert Michelson a Edward Morley uskutočnili svoj slávny experiment v roku 1887, aby dokázali alebo vyvrátili existenciu éteru. Ak sa svetlo šíri iba vďaka éteru, usúdili, potom sa Zem pohybuje cez túto látku. Aby to mohli vyskúšať, skonštruovali dômyselné zariadenie: robustnú optickú dosku umiestnenú v nádrži s tekutou ortuťou, ktorá zabránila vibráciám a umožnila doske sa otáčať ľubovoľným smerom. Bolo potrebné porovnať dĺžky svetelných vĺn smerovaných rôznymi smermi, pri rotácii zariadenia alebo pri pohybe Zeme okolo Slnka. Pretože sa naša planéta pohybuje na obežnej dráhe proti „éterovému vetru“, malo by sa to odrážať vo svetelných vlnách, zmenšovať ich dĺžku. Po šiestich mesiacoch by sa odpor mal zmeniť (bude smerovaný opačným smerom),a lúče svetla opäť narastú. Ale na prekvapenie mnohých zostali vlnové dĺžky svetla v ľubovoľnom smere rovnaké. O existencii údajného hostiteľa sa nehovorilo nič. Ukázalo sa, že Ether bol chybou.
Nie všetci fyzici sa však éteru vzdali. Diskutovalo sa o tom dlho, prinajmenšom tak dlho, ako žili niektorí stúpenci existencie éteru. Samotný Morley neveril výsledkom svojho experimentu. Iba retrospektívny pohľad pomohol zabezpečiť, aby Michelsonov-Morleyov experiment dokázal absenciu éteru a ako sa ukázalo neskôr, potvrdil radikálnejšiu teóriu relativity Alberta Einsteina.
Temná hmota, temná energia, čierne peniaze, čierne trhy, čierna biomasa, tmavý genóm: vedci „zakrývajú“akýkoľvek dôležitý jav, ktorý sa vzpiera porozumeniu a je akosi skrytý pred priamym vnímaním. Inými slovami, táto temnota je metaforická. Ale spočiatku sa to bralo doslovne. V 30. rokoch minulého storočia švajčiarsky astronóm Fritz Zwicky pozoroval zhluk galaxií, ktoré boli navzájom gravitačne spojené a pohybovali sa na svojich obežných dráhach príliš rýchlo. Iba prítomnosť obrovskej masy neviditeľnej hmoty mohla vysvetliť, prečo galaxie stále držia spolu. Zwicky naznačil, že existuje „temná“hmota - myslel to jednoducho tak, že ju nemohol vidieť. Ale aj po ňom našli astronómovia dôkazy o neviditeľnej hmote vo vesmíre. Napríklad v samotných galaxiách sa hviezdy otáčajú príliš rýchlo. Vyzerá ako,tmavá hmota je najhojnejšou látkou vo vesmíre.
Propagačné video:
Je to tiež najnepolapiteľnejšia látka. Neinteraguje sám so sebou ani s inými látkami, z ktorých pozostávajú hviezdy, planéty alebo vy a ja. Jediným dôkazom je gravitačný efekt a gravitácia je, bohužiaľ, najslabším typom základnej interakcie. Gravitácia je ale tiež jedinou univerzálnou silou, a preto vo vesmíre prevláda temná hmota.
Za posledných 50 rokov sme boli schopní skonštruovať štandardný kozmologický model, ktorý veľmi presvedčivo popisuje viditeľnú časť vesmíru. Veľký tresk spočiatku spôsoboval rýchle rozširovanie vesmíru, hustota hmoty sa stala nehomogénnou. V priebehu nasledujúcich 13,7 miliárd rokov sa tieto nepravidelnosti zvýraznili vďaka neúprosnej gravitačnej sile, ktorá pravdepodobne vytvorila „vesmírne dno“temnej hmoty, ktorého gravitačné pole drží jasné galaxie, ktoré sú pre nás viditeľné.
Tento štandardný kozmologický model má veľa faktických potvrdení, vrátane všadeprítomného gama poľa vesmíru, distribúcie galaxií vo vesmíre a ich zhlukov. Tieto základné pozorovania kombinujú vedecké poznatky a nezávislý výskum v mnohých oblastiach astronómie. To všetko je v dobrej zhode s kozmologickým modelom, ktorý predpokladá prítomnosť temnej hmoty. Astrofyzici, ktorí neberú princípy tohto modelu vážne, zostávajú v menšine. Nejde o to, že sa táto teória javí každému obzvlášť úžasná, ale o to, že neexistuje taká dôsledná a úspešná alternatíva. Žiadna z teórií nedokáže vysvetliť, čo je tmavá hmota. Toto je skutočne jeden z najväčších nevyriešených problémov fyziky.
Preto hľadanie pokračuje. Urýchľovače častíc spracovávajú údaje, veľa senzorov je ukrytých v podzemí a ďalekohľady smerujú k oblohe. Moderná doba experimentovania už posúva prísny rámec prijateľných teórií. V najlepšom prípade budeme schopní pochopiť temnú hmotu o dvadsať rokov. V najhoršom prípade to nikdy nepochopíme.
Žijeme v dobe nových objavov. Osvedčená teória vysvetľuje rozmanitosť elementárnych častíc, ktoré môžeme pozorovať. Rovnaká teória naznačuje, že existujú aj ďalšie, zatiaľ neidentifikované častice. Pred niekoľkými desaťročiami si teoretici uvedomili, že môžu existovať takzvané slabo interagujúce masívne častice (mikrovlnné rúry). Takéto častice môžu mať všetky vlastnosti tmavej hmoty, takže môžu byť priamo pod našimi nosmi. Ak by temná hmota pozostávala z mikrovlnných frekvencií, interagovala by tak slabo s bežnou hmotou, že by ju bolo možné zistiť iba na základe série špeciálnych experimentov o štúdiu temnej hmoty, ktoré sa stali možné celkom nedávno. Najsľubnejším z nich je najväčší podzemný xenónový experiment (LUX) v Južnej Dakote, najväčší detektor tmavej hmoty na svete. Bola postavená na mieste ťažby zlata vo februári 2013 a je schopná detekovať nepolapiteľné elementárne častice. Aj napriek precitlivenosti LUX, nájsť tmavú hmotu vyžaduje trpezlivosť. Doteraz všetko, čo padlo do pasce LUX, sú výbuchy kozmického hluku, ktoré nemajú žiadny význam.
Minulý úspech štandardných paradigiem v teoretickej fyzike nás priviedol k hľadaniu jedinej spoločnej častice tmavej hmoty - najtemnejšej hmoty. Možno však nemáme dostatočné dôvody predpokladať, že sa dá vôbec niečo nájsť.
Ako povedal anglický fyzik John D. Barrow v roku 1994: „Nie je dôvod domnievať sa, že vesmír mal byť navrhnutý pre naše pohodlie.“
Vzhľadom na toto upozornenie sa zdá, že sú tieto možnosti. Temná hmota buď existuje, alebo nie. Ak existuje, potom ho môžeme nájsť alebo nie. Ak neexistuje, môžeme buď dokázať, že neexistuje, alebo nemôžeme. Pozorovania, ktoré vedú astronómov k tvrdeniu, že temná hmota spočiatku existuje, sa zdajú príliš silné a presvedčivé na to, aby sa dali odmietnuť, takže najbežnejším argumentom proti existencii temnej hmoty je, že niečo nie je v poriadku s naším chápaním gravitácie - že nemusí nevyhnutne viesť správať sa presne tak, ako predpovedal Einstein. To by prevrátilo naše chápanie fyziky naruby, takže len málo ľudí chce na to prísť. Na druhej strane, ak temná hmota existuje, ale nedokážeme ju zistiť, ocitneme sa v mimoriadne nepohodlnej polohe.
Ale žijeme v zlatom veku kozmológie. Za posledné dve desaťročia sme toho objavili veľa: zmerané zmeny v reliktnom žiarení Veľkého tresku, zistili sme, že expanzia vesmíru sa zrýchľuje, rýchlo sme sa pozreli na čierne diery a dokázali zachytiť najjasnejšie výbuchy vo vesmíre. V nasledujúcich desaťročiach budeme s najväčšou pravdepodobnosťou schopní pozrieť sa na prvé hviezdy vo vesmíre, zmapovať takmer úplné rozloženie temnej hmoty a počuť katastrofické spájanie čiernych dier prostredníctvom gravitačných vĺn. Aj medzi všetkým týmto „bohatstvom“ponúka temná hmota jedinečnú perspektívu fúzie nových pozorovaní, teórie, technológií a (dúfajme) nového financovania.
Všetky navrhované spôsoby pochopenia podstaty temnej hmoty možno rozdeliť do troch kategórií: umelá rekonštrukcia (v urýchľovači častíc), nepriama a priama detekcia. Posledná metóda, pri ktorej sa vedci snažia chytiť WIMP vo „divočine“, je obzvlášť príjemná a inšpirujúca. Podzemný detektor LUX je jedným z prvých v novej generácii ultra citlivých experimentov. Spočíva v sledovaní interakcie WIMP s jadrami bežných atómov. Tento experiment väčšinou pozostáva z veľmi čistých cieľových detektorov, ako sú pôvodné elementárne germánium alebo xenón, ochladené na extrémne nízke teploty a chránené pred vonkajšími časticami. Problém je v tom, že rozptýlené častice stále prechádzajú. Takéto porušenia sú podrobne sledované. Jediným spôsobom, ako oddeliť skutočné interakcie častíc tmavej hmoty od falošných poplachov, je zníženie hluku, tienenie a presnosť štatistických meraní.
Teoretici zvažovali veľa možností, ako môže častica interagovať s slabým človekom. Prvá generácia experimentov už v skutočnosti vylúčila možnosť takzvaného rozptylu častíc v dôsledku interakcie s z-bozónom. Čo zostáva, je rozptyl častíc po zrážke Higgsovho bozónu, ktorý bude obsahovať tie isté častice, ktoré boli objavené vlani v novembri na Large Hadron Collider v Ženeve. To znamená veľmi malú interakciu, ale bolo by to ideálne pre súčasnú citlivosť ďalšej generácie experimentov.
Veda opäť hovorí menej o tom, čo je, ako o tom, čo nie je, a neobjavenia vytvorili dostatočne zaujímavé obmedzenia týkajúce sa toho, čo môže byť temná hmota. Rovnako vo vývojovom štádiu, ktoré svojimi rozpormi pripomína éter, zatvárali oči pred niektorými anomáliami, ktorých povahu je potrebné objasniť. Taliansky experiment DAMA (skratka pre „DArk MAtter“), ktorý použil iný detektor ako LUX, tvrdí, že moduláciu signálu tmavej hmoty našiel viac ako rok. Kritici polemizujú, či vôbec mali signál. Rovnako ako v prípade éteru, aj v tomto prípade sme očakávali tento druh každoročnej variácie, keď sa Zem otáča okolo Slnka, niekedy v smere väčšej galaktickej rotácie, niekedy proti nej. Zamestnanci DAMA merali túto ročnú moduláciu. Ďalšie konkurenčné projekty (napr. XENON, CDMS,Edelweiss a ZEPLIN) to nedokázali, ale tieto experimenty nemožno priamo korelovať, takže odsúdenie by malo byť odložené.
Príroda môže byť krutá. Fyzici môžu „nezistiteľnosť“brať ako náznak toho, že je čas sa vzdať, ale vždy existuje lákavá možnosť, že potrebujeme len lepší experiment. Alebo sa snáď ukáže, že tmavá hmota bude rovnako zložitá ako bežná hmota. Predchádzajúce experimenty odhalili pomerne prísne obmedzenia toho, aké ťažké môžeme čakať - neexistuje nádej na detekciu ľudí z temnej hmoty alebo dokonca chémie temnej hmoty, verte mi, ale stále sa nám to môže javiť v niekoľkých podobách. Nájdeme nejakú časticu, ktorá dokáže vysvetliť iba zlomok predpokladanej celkovej hmotnosti tmavej hmoty.
Istým spôsobom sa to už stalo. Neutrína sú nepolapiteľné, ale všadeprítomné (60 miliárd z nich každú sekundu prejde priestorom s veľkosťou malíčkového prsta). Takmer nikdy neinteragujú s bežnou hmotou a až do roku 1988 sme si mysleli, že nemajú absolútne žiadnu hmotu. V skutočnosti neutrína tvoria malý zlomok hmotnosti vesmíru a správajú sa ako zvláštny druh temnej hmoty. Nie sú to „rovnaká“tmavá hmota, ale môžeme nájsť viac ako jeden typ tmavej hmoty.
Povedať, že žijeme v dobe objavovania, znamená skutočne povedať, že žijeme iba v dobe intenzívneho záujmu. Fyzici tvrdia, že by sme dosiahli niečo významné, ak by sme určili, že temná hmota nie sú slabíci. Nebol by to objav? Toto odvetvie fyziky sa zároveň hemží novými myšlienkami a konkurenčnými teóriami. Niektorí skúmajú myšlienku, že interakcie sa vyskytujú v temnej hmote, ale nikdy do nich nemôžeme byť zapojení. V takom prípade prebiehajú interakcie tak malého rozsahu v temnej hmote, že by nijako neovplyvnili modernú kozmológiu. V temnej hmote môže existovať aj jeho vlastný exotický vesmír - temný sektor. Táto možnosť fyzikov desí aj fascinuje. Mohli by sme tvrdiť, že temná hmota je zložitá oblasť, ktorá vždy unikne našim očiam,okrem interakcie s našimi svetmi prostredníctvom gravitácie. Tmavý sektor môže byť podobný paralelnému vesmíru.
Je celkom ľahké zamiešať sa hlavnou myšlienkou temnej hmoty, keď sú všetky vaše vylepšenia pritiahnuté za vlasy. Toto robia všetci teoretici, ktorí študujú tmavú hmotu. Vyvinul som myšlienku, že v tmavej hmote môžu existovať vzájomné interakcie, a pridal som to do superpočítačového programu na simuláciu galaxií. Vo veľkom meradle, kde kozmológia dáva neustále správne predpovede, táto modifikácia nerobí nič, ale v malom meradle, keď niekedy zlyhá teória temnej hmoty, pomôže vyriešiť niekoľko otázok. Sledovanie simulácií je zábavné a je možné z nich urobiť rozumné predpovede. A hoci je v ňom toľko neznámych - čo vedci nazývajú „jemné ladenie“- mohlo by sa zdať, že niektoré z výsledkov sú šité na mieru pozorovaniam. Preto sa zdržiavam úsudku a radím vám, aby ste robili to isté.
Pravdepodobne nikdy nebudeme vedieť naisto, či môže tmavá hmota interagovať sama so sebou. V najlepšom prípade môžeme hádať, aké silné môžu byť tieto interakcie. Takže keď sa ma pýtajú, či je teória interakcie so sebou správna, odpovedám, že nie. Obmedzujem sa na to, že je to možné, ale nie nevyhnutne. Sklamanie, že? Kozmológia samozrejme musí obsahovať hlbšie pravdy, ako dokážeme pochopiť.
Možno sa jedného dňa podarí vedcom LUX alebo ich konkurentom nájsť to, čo hľadajú. Alebo použijem nejaký neopísateľný superpočítač, aby som zistil skrytú pravdu o temnej hmote. V tomto prípade však tento objav nebude „ľudský“, objaví sa náhle, ako výsledok výskumu niekoľkých bohov zo stroja. Vesmír temnej hmoty je súčasťou nášho vesmíru, ale nikdy ho nemôžeme prijať.
Príroda si z nás robí epistemologickú srandu. To, čo pozorujeme, existuje iba v jednej forme, ale to, čo nemôžeme skúmať, môže existovať v nekonečnom počte štátov. Dobrá teória musí byť mätúca. Temná hmota je jednoduché riešenie zložitého problému, nie naopak. Napriek tomu neexistuje záruka, že sa to niekedy vysvetlí. A bez ohľadu na to, či ho astrofyzici dokážu nájsť v koncepčnom zmysle, nikdy mu nebudeme schopní porozumieť. Temná hmota zostane mimo naše chápanie. Nech je to už akokoľvek, žiť vo vesmíre, z ktorého je väčšina neprístupný, znamená žiť v ríši nekonečných možností.
Alexander B Fry
Preložené projektom NewWhat