Mówią, że we Wszechświecie znajduje się najbardziej ciemna materia (jeśli mówimy o materii w ogóle). A przecież w życiu codziennym praktycznie się z tym nie spotykamy. Znamy Słońce - najbardziej masywny obiekt w Układzie Słonecznym - składa się ze zwykłej materii (protonów, neutronów i elektronów), ale istnieje wiele innych źródeł, w tym planety, gaz, pył, plazma i pozostałości gwiazd. Nie ma wśród nich ciemnej materii - i nawet Model Standardowy nie opisuje jej cząstek. Oczywiście ciemna materia nie jest jedynym sposobem na wyjaśnienie obserwowanych zjawisk grawitacyjnych we Wszechświecie. Inną opcją jest zmodyfikowanie teorii grawitacji, co wielu już próbowało zrobić. Dało to początek idei zmodyfikowanej dynamiki newtonowskiej (MOND) i innym teoriom, które nadal są popularnymi alternatywami dla ciemnej materii.
Aby zacząć od czegoś, musimy cofnąć się do XIX wieku i porozmawiać o problemie, który istniał na długo przed „brakującą masą” (lub „brakującym światłem”), którą ciemna materia i MOND próbują rozwiązać: problem Uran-Merkury. Prawo grawitacji Newtona, którego pionierem był Newton w XVII wieku, było niezwykle skuteczne w opisywaniu wszystkiego - o ile wiemy - do czego zostało zastosowane. Od ruchu pocisków do toczących się obiektów; od ciężaru przedmiotów po tykanie zegara wahadłowego; od wyporu łodzi do orbity Księżyca wokół Ziemi, grawitacja Newtona nigdy nie zawiodła.
Trzy prawa Keplera, szczególny przypadek wzoru grawitacyjnego Newtona, zastosowany do wszystkich znanych planet w tym samym stopniu:
1. Planety poruszają się po elipsach ze Słońcem w jednym z ognisk.
2. Każda planeta porusza się w płaszczyźnie przechodzącej przez środek Słońca i w równych odstępach czasu wektor promienia łączący Słońce i planetę opisuje równe obszary.
3. Kwadraty okresów obrotu planet wokół Słońca nazywane są sześcianami półosi głównych orbit planet.
Wszystkie znane światy wewnętrzne i zewnętrzne przestrzegały tych praw, tak że przez setki lat nie ujawniono żadnych odchyleń. Ale wraz z odkryciem Urana w 1781 roku coś się zmieniło. Podczas gdy ostatnia z odkrytych planet poruszała się po elipsie wokół Słońca, poruszała się z niewłaściwą prędkością w porównaniu z przewidywanymi prawami grawitacji.
Film promocyjny:
Przez pierwsze 20 lat od otwarcia poruszał się szybciej, każdej nocy i każdego roku, niż nakazywały prawa. Przez następne 20-25 lat planeta poruszała się ściśle według prawa. Ale potem zwolnił, a prędkość spadła poniżej przewidywanej.
Czy był błąd w prawie grawitacji? Może. Ale jest też możliwe, że było trochę więcej materii - coś niewidzialnego, ciemnej materii - co oddziaływało na Urana, powodując zakłócenia na jego orbicie. To bardziej przypomina prawdę. Po teoretycznej wojnie między Urbainem Le Verrierem i Johnem Coach Adamsem, który pracował niezależnie i prognozował położenie nowej planety, przewidywania Le Verriera zostały potwierdzone przez Johanna Halle i jego asystenta Heinricha d'Arre 23 września 1846 roku. Odkryto planetę Neptun, pierwszy obiekt, jaki można wywnioskować z wpływu jej masy: wpływ grawitacji.
Z drugiej strony, wewnętrzna planeta Merkury - dzięki zwiększonej dokładności obserwacji oraz w połączeniu z danymi świeckimi - zaczęła wykazywać jeszcze dziwniejsze naruszenie praw grawitacji. Jeśli prawa Keplera przewidywały, że planety powinny poruszać się po idealnych elipsach ze Słońcem w jednym z ognisk, to pod warunkiem, że nie ma innych mas, które naruszają lub wpływają na system. Ale wokół nie ma mas, a Merkury nie porusza się po idealnej elipsie. Jego elipsa postępuje w czasie.
Korzystając z praw grawitacji Newtona, mogliśmy wziąć pod uwagę wpływ wszystkich znanych planet (w tym Neptuna). Dokonawszy tego wszystkiego, stwierdzilibyśmy, że pozostaje niewielka rozbieżność między przewidywanym a obserwowanym: 43-calowa precesja na wiek, czyli 0,012 stopnia na wiek. Ale to nie był wypadek.
Jakie jest wyjaśnienie tym razem? Czy ta nowa niewidzialna masa jest związana z wnętrzem Merkurego? A może prawdziwy problem wkradł się do prawa grawitacji? Dokładne poszukiwanie odpowiedzi na to pytanie doprowadziło do powstania nowej teoretycznej planety Vulcan, która powinna znajdować się bliżej Słońca niż wszyscy inni. Ale nie znaleziono Vulcan. Rozwiązanie pojawiło się w 1915 roku, kiedy Einstein przedstawił swoją teorię ogólnej teorii względności.
Przejdźmy teraz do lat siedemdziesiątych XX wieku - do szeregu obserwacji naukowych Very Rubin. Obserwujemy poszczególne galaktyki - w szczególności galaktyki na krawędziach - i mierzymy ich profile prędkości. Patrzymy na jedną stronę galaktyki i widzimy, że zbliża się ona do nas (przesunięciem niebieskim), patrzymy na drugą - oddala się od nas (przesunięciem ku czerwieni) iw ten sposób określamy obrót galaktyki. Czego od nich oczekujemy? Podobnie jak nasz Układ Słoneczny, wewnętrzne gwiazdy muszą obracać się szybciej, a im dalej od centrum, tym mniejsza musi być prędkość. Ale to nie jest to, co znajdujemy.
Zamiast tego prędkość rotacji każdej galaktyki pozostaje stała niezależnie od odległości. Czemu? Ponownie, istnieją dwie możliwości: albo prawa grawitacji muszą zostać ulepszone, albo musimy założyć istnienie niewidocznej nadwyżki masy.
MOND został po raz pierwszy zauważony przez Moti Milgroma w 1981 roku, który zauważył, że gdybyśmy zmienili prawo grawitacji przy bardzo małych przyspieszeniach - mniej więcej ułamkach nanometra na sekundę do kwadratu - moglibyśmy wyjaśnić te krzywe rotacyjne. Co więcej, ta sama modyfikacja, pojedyncza i spójna, mogłaby wyjaśnić rotację wszystkich galaktyk, od najmniejszej do największej. MOND nadal to robi i robi to dobrze.
Z drugiej strony ciemna materia sugeruje, że oprócz normalnych cząstek Modelu Standardowego i zwykłej materii „protonów, neutronów i elektronów”, które tworzą prawie wszystko, co wiemy, istnieje nowy typ materii. Aby wyjaśnić zjawisko rotacji, zaproponowano wprowadzenie dużego halo materii, która nie oddziałuje ze światłem, ale nie skleja się i nie oddziałuje ze zwykłą materią, z wyjątkiem grawitacji. Taka była idea ciemnej materii.
Ciemna materia może wyjaśnić te obrotowe krzywe, ale nie robi tego tak dobrze jak MOND. Symulacje numeryczne dla halo, które tworzą nawet najprostsze modele ciemnej materii, nie są zgodne z obserwacjami; aureole są zbyt „powalone” w środku i zbyt „puszyste” na obrzeżach. (Z technicznego punktu widzenia wydają się być bardziej izotermiczne niż oczekiwano). Krótko mówiąc, MOND był początkowo zdecydowanym liderem.
Ale tam, dalej, zaczął się cały Wszechświat. Kiedy proponujesz nową teorię, która ma zastąpić starą - jak ogólna teoria względności zastąpiła prawa Newtona - twoja teoria musi spełniać trzy zasady:
1. Musi odtworzyć pełny sukces poprzedniej wiodącej teorii.
2. Musi z powodzeniem wyjaśniać nowe zjawisko (lub zjawiska), dla których został stworzony.
3. I musi dokonać nowych przewidywań, które zostaną sprawdzone doświadczalnie lub obserwacyjnie, potwierdzone lub odrzucone, tak aby były unikalne dla nowej teorii.
Mówimy o wszystkich sukcesach poprzedniej wiodącej teorii, a są one liczne.
Istnieje krzywizna grawitacyjna światła gwiazd według masy, silne i słabe soczewkowanie grawitacyjne. Jest efekt Shapiro. Występuje grawitacyjne dylatacja czasu i grawitacyjne przesunięcie ku czerwieni. Istnieje koncepcja Wielkiego Wybuchu i koncepcja rozszerzającego się wszechświata. Istnieją ruchy galaktyk w gromadach i skupiskach samych galaktyk w największych skalach.
W przypadku wszystkich tych przykładów - wszystkich - MOND ponosi druzgocącą klęskę, albo nie oferując żadnych prognoz, albo dokonując prognoz, które są frustrująco niezgodne z dostępnymi danymi. Możesz słusznie wskazać, że MOND nigdy nie miał być kompletną teorią, ale raczej opisem jednego zjawiska, które mogłoby prowadzić do bardziej kompletnej teorii. Wiele osób pracuje nad rozszerzeniem MOND, które mogłoby wyjaśnić te obserwacje, ale bezskutecznie.
Ale jeśli będziesz kontynuować prawo grawitacji Einsteina i po prostu dodasz nowy składnik, zimną ciemną materię, możesz wszystko wyjaśnić, w tym kilka nowych niezwykłych niuansów.
Możesz wyjaśnić wzór skupień, który jest obserwowany w wielkoskalowej strukturze wszechświata, jeśli masz pięć razy więcej ciemnej materii niż normalnej materii.
A jeszcze bardziej imponujące jest to, że można dokonać zupełnie nowej prognozy: kiedy zderzają się dwie gromady galaktyk, gaz w nich się nagrzewa, spowalnia i emituje promienie rentgenowskie, podczas gdy masa, którą widzimy dzięki soczewkowaniu grawitacyjnemu, podąża za ciemną materią i jest zastępowana promieniami X Ta nowa prognoza została potwierdzona eksperymentalnie i utrzymuje się od dziesięciu lat, dostarczając pośredniego potwierdzenia istnienia ciemnej materii.
MOND ma tę zaletę, że wyjaśnia krzywe rotacji galaktycznej lepiej niż ciemna materia. Ale to nie jest teoria fizyczna i nie pasuje do pełnego zestawu obserwacji, które mamy. Ciemna materia istnieje - przynajmniej w teorii - ponieważ daje nam ten sam wszechświat, spójny, bez żadnych modyfikacji.
Ale obecne niepowodzenia MOND, kosmologiczne, stawiają go poniżej ciemnej materii. Pozwól mu odtworzyć wszystkie sukcesy ogólnej teorii względności, wyjaśnić nowe zjawiska, dokonać przewidywań, które można potwierdzić - a naukowcy niewątpliwie nawrócą się na nową wiarę. W końcu są dobrymi naukowcami.