Ni bolj razširjene in nerazumljive snovi kot temna snov. Ali lahko fizika dojame to ogromno nerešeno težavo?
Sedim za pisalno mizo na univerzi v Washingtonu in skušam varčevati z energijo. Ne izgubljam ga, ampak svoje računalniške modele. Čeprav bi kolegi lahko o meni rekli enako. Ko rečem ljudem, da delam na špekulativnih teorijah o temni snovi, me začnejo gledati sumničavo. Mislim, da nihče na univerzi ne verjame vsemu temu.
V svojih predstavitvah se osredotočam na to, koliko kozmoloških problemov bi bilo mogoče rešiti. Occamova britvica je zame nekakšna rešitev: samo ena potrditev lahko razloži toliko stvari (Occamova britvica je metodološko načelo, po katerem „ne bi smeli pritegniti novih entitet, razen če je to nujno potrebno.“Entitete v tem kontekstu so dejstva, dejavniki in izrazi, ki pojasnjujejo, kaj ali pojav. - približno Novo kaj). Govorim o stvareh, ki jih ni mogoče razložiti v okviru splošno sprejetih idej o temni snovi. Očitno ima Mlečna pot premalo satelitskih galaksij. Notranje stanje majhnih galaksij je nestabilno. Tu mi spet priskoči na pomoč Occam's Razor in trdim, da je ta protislovja mogoče rešiti tako, da se standardni temni snovi dodeli šibka samo-interakcijadoločen vzorec šibke interakcije njegovih delcev med seboj. Nekdo bi lahko vprašal, ali tudi sam verjamem v vse to. Težko povem.
Svet, kot ga vidimo, je iluzija, čeprav dokaj močna. Postopoma smo se navadili, da kvantno teorijo polja, v kateri je še vedno veliko netočnosti, obravnavamo kot resnično idejo sveta; ne vidimo vedno, kaj se v resnici dogaja. Temna snov lahko velja za prepričljiv dodatek k temu konceptu. Zdi se, da nam je večina snovi v vesolju skrita. To je za fizike in splošno javnost zmedeno. Fiziki so zaskrbljeni, ker ni dokončne, neizpodbitne definicije temne snovi. Vsi ostali težko razumejo nekaj tako nejasnega in nedosegljivega. Vse to ima grozljivo podobnost z načinom, kako so znanstveniki oporekali obstoju etra pred več kot sto leti.
Konec 19. stoletja so znanstveniki poskušali razumeti, kako lahko elektromagnetni valovi (kot je svetloba) potujejo skozi vakuum. Predstavljamo si valove, razmišljamo o vodi in potem se zdi očitno, da mora obstajati nekakšen nosilec, analog vode, v katerem se bodo valovi elektromagnetnih valov valovali. Tako se je pojavila ideja o "etru" - nedosegljivem mediju, ki prežema vesolje.
Ameriška znanstvenika Albert Michelson in Edward Morley sta leta 1887 izvedla svoj slavni eksperiment, da bi dokazala ali ovrgla obstoj etra. Če se svetloba širi samo zahvaljujoč etru, so razmišljali, potem se Zemlja premika skozi to snov. Da bi to preizkusili, so zgradili iznajdljivo napravo: trdno optično ploščo, nameščeno v rezervoar tekočega živega srebra, da prepreči tresljaje in omogoča vrtenje plošče v katero koli smer. Primerjati je bilo treba dolžine svetlobnih valov, usmerjenih v različne smeri, med vrtenjem naprave ali med gibanjem Zemlje okoli Sonca. Ker se naš planet giblje v orbiti proti "eteričnemu vetru", bi se to moralo odražati v svetlobnih valovih, zmanjšati njihovo dolžino. Po šestih mesecih se mora upor spremeniti (usmerjen bo v nasprotno smer),in svetlobni žarki bodo spet postali daljši. Toda na presenečenje mnogih so valovne dolžine svetlobe v kateri koli smeri ostale enake. Nič ni rečeno o obstoju domnevnega gostitelja. Eter se je izkazal za napako.
Vendar se niso vsi fiziki odpovedali etru. O tem so razpravljali dolgo, vsaj dokler so živeli nekateri zagovorniki obstoja etra. Morley sam ni verjel rezultatom svojega eksperimenta. Le retrospektivni pogled je pomagal zagotoviti, da poskus Michelson-Morleyja dokazuje odsotnost etra in, kot se je kasneje izkazalo, potrjuje radikalnejšo teorijo relativnosti Alberta Einsteina.
Temna snov, temna energija, črni denar, črni trgi, črna biomasa, temni genom: znanstveniki "zakrijejo" vsak pomemben pojav, ki kljubuje razumevanju in je nekako skrit pred neposrednim zaznavanjem. Z drugimi besedami, ta tema je metaforična. Toda sprva je bilo to dobesedno. V tridesetih letih je švicarski astronom Fritz Zwicky opazoval jato galaksij, ki so gravitacijsko vezane ena na drugo in se prehitro premikale po svojih orbitah. Le prisotnost ogromne mase nevidne snovi je lahko razložila, zakaj se galaksije še vedno držijo skupaj. Zwicky je predlagal, da obstaja "temna" snov - preprosto je hotel reči, da je ne vidi. A tudi po njem so astronomi našli dokaze o nevidni snovi v vesolju. Na primer, v samih galaksijah se zvezde prehitro vrtijo. Izgleda kot,temna snov je najbolj razširjena snov v vesolju.
Promocijski video:
Je tudi najbolj nedoumljiva snov. Ne sodeluje sam s seboj ali z drugimi snovmi, ki tvorijo zvezde, planete ali ti in jaz. Edini dokaz je gravitacijski učinek, gravitacija pa je na žalost najšibkejša vrsta temeljne interakcije. A gravitacija je tudi edina univerzalna sila in zato v vesolju prevladuje temna snov.
V zadnjih 50 letih smo lahko zgradili standardni kozmološki model, ki zelo prepričljivo opisuje vidni del vesolja. Sprva je Veliki pok povzročil hitro širjenje vesolja, gostota snovi je postala nehomogena. V naslednjih 13,7 milijard letih so te nepravilnosti postale bolj izrazite zaradi neizprosne gravitacijske sile, ki naj bi tvorila "vesoljsko dno" temne snovi, katere gravitacijsko polje drži nam vidne svetle galaksije.
Ta standardni kozmološki model ima številne dejanske potrditve, vključno z vsesplošnim gama poljem vesolja, porazdelitvijo galaksij v vesolju in njihovimi jatami. Ta temeljna opazovanja združujejo znanstveno znanje in neodvisne raziskave na številnih področjih astronomije. Vse to se dobro ujema s kozmološkim modelom, ki predpostavlja prisotnost temne snovi. Astrofiziki, ki načel tega modela ne jemljejo resno, ostajajo v manjšini. Bistvo ni v tem, da se ta teorija vsem zdi še posebej čudovita, preprosto ni take dosledne in uspešne alternative. Nobena od teorij ne more razložiti, kaj je temna snov. To je res eden največjih nerešenih problemov v fiziki.
Zato se iskanje nadaljuje. Pospeševalniki delcev podatke obdelujejo, številni senzorji so skriti pod zemljo, teleskopi pa so usmerjeni proti nebu. Sodobna doba eksperimentiranja že premika strog okvir verjetnih teorij. V najboljšem primeru bomo temno snov lahko razumeli čez dvajset let. V najslabšem primeru tega ne bomo nikoli razumeli.
Živimo v času novih odkritij. Dobro dokazana teorija pojasnjuje raznolikost osnovnih delcev, ki jih lahko opazimo. Ista teorija nakazuje, da obstajajo tudi drugi, še neidentificirani delci. Pred nekaj desetletji so teoretiki ugotovili, da bi lahko obstajali tako imenovani šibko interakcijski masivni delci (MWP). Takšni delci bi lahko imeli vse lastnosti temne snovi, tako da nam je lahko pod nosom. Če bi bila temna snov sestavljena iz mikrovalovnih frekvenc, bi tako navadno vplivala na navadno snov, da bi jo lahko zaznali le kot rezultat vrste posebnih poskusov na področju preučevanja temne snovi, ki so postali mogoči pred kratkim. Najbolj obetaven je Veliki podzemni eksperiment s ksenoni (LUX) v Južni Dakoti, največji detektor temne snovi na svetu. Zgrajen je bil na mestu rudnika zlata februarja 2013 in je sposoben zaznati najbolj izmuzljive osnovne delce. Kljub preobčutljivosti LUX-a je iskanje temne snovi potrebno potrpljenje. Zaenkrat so v past LUX padli le izbruhi vesoljnega hrupa, ki nimajo nobenega pomena.
Pretekli uspeh standardnih paradigem v teoretični fiziki nas je pripeljal do lova na en sam skupni delček temne snovi - najtemnejšo snov. Morda pa nimamo dovolj razlogov, da bi domnevali, da je sploh mogoče kaj najti.
Kot je leta 1994 dejal angleški fizik John D. Barrow: "Ni razloga, da bi verjeli, da bi moralo biti vesolje zasnovano za nas."
Glede na to opozorilo se zdi, da so možnosti naslednje. Temna snov ali obstaja ali pa je ne obstaja. Če obstaja, ga lahko najdemo ali ne. Če ne obstaja, lahko dokažemo, da ne obstaja, ali pa ne. Opažanja, zaradi katerih astronomi trdijo, da temna snov najprej obstaja, se zdijo premočna in prepričljiva, da bi jo zavrgli, zato je najpogostejši argument proti obstoju temne snovi, da je z našim razumevanjem gravitacije nekaj narobe - da to ne vodi nujno kot je napovedal Einstein. To bi naše razumevanje fizike postavilo na glavo, zato le malo ljudi želi to ugotoviti. Po drugi strani pa, če temna snov obstaja, vendar je ne moremo zaznati, se znajdemo v izredno neprijetnem položaju.
Toda živimo v zlati dobi kozmologije. V zadnjih dveh desetletjih smo odkrili toliko: izmerili smo spremembe reliktnega sevanja Velikega poka, izvedeli smo, da se širjenje vesolja pospešuje, na hitro smo pogledali črne luknje in uspeli ujeti najsvetlejše eksplozije v vesolju. V prihodnjih desetletjih bomo najverjetneje lahko pogledali prve zvezde v vesolju, preslikali skoraj popolno razporeditev temne snovi in slišali katastrofalno združitev črnih lukenj z gravitacijskimi valovi. Tudi med vsemi temi "bogastvi" temna snov ponuja edinstveno perspektivo, saj je v fuziji novih opazovanj, teorije, tehnologije in (upajmo) novega financiranja.
Vse predlagane načine za razumevanje narave temne snovi lahko razdelimo v tri kategorije: umetna rekonstrukcija (v pospeševalniku delcev), posredno in neposredno zaznavanje. Zadnja metoda, pri kateri skušajo raziskovalci ujeti wimpove v "divjini", je še posebej prijetna in navdihujoča. Podzemni detektor LUX je eden prvih v novi generaciji ultra občutljivih poskusov. Sestavljen je iz sledenja interakciji WIMP z jedri navadnih atomov. Ta eksperiment večinoma sestavljajo zelo čisti detektorji tarč, kot sta neokrnjeni elementarni germanij ali ksenon, ohlajeni na izredno nizke temperature in zaščiteni pred zunanjimi delci. Težava je v tem, da se potepuški delci še vedno prebijejo. Takšne kršitve se natančno spremljajo. Zmanjšanje šuma, zaščita in natančnost pri statističnih meritvah so edini način za ločevanje dejanskih interakcij delcev temne snovi od lažnih alarmov.
Teoretiki so obravnavali številne možnosti, kako lahko delec komunicira z wimpom. Dejansko je prva generacija poskusov že izključila možnost tako imenovanega razprševanja delcev, ki je posledica interakcije z z-bozonom. Ostalo je sipanje delcev zaradi trka Higgsovega bozona, ki bo vključeval isti delec, ki so ga odkrili novembra lani na velikem hadronskem trkalniku v Ženevi. To pomeni zelo malo interakcije, vendar bi bilo idealno za trenutno občutljivost naslednje generacije poskusov.
Spet znanost govori manj o tem, kaj je kot o tem, kar ni in neodkritja so ustvarila dovolj zanimive omejitve glede tega, kaj je lahko temna snov. Tudi na razvojni stopnji, ki je po protislovju podoben etru, so si zatiskali oči pred nekaterimi nepravilnostmi, katerih naravo je treba razjasniti. Z uporabo drugega detektorja, kot je LUX, italijanski eksperiment DAMA (okrajšava od "DArk MAtter") trdi, da je modulacijo signala temne snovi ugotovil v enem letu. Kritiki razpravljajo, ali so sploh imeli signal. Tako kot pri etru smo pričakovali, da bomo tovrstne letne spremembe opazili, ko se Zemlja vrti okoli Sonca, včasih v smeri večje galaktične rotacije, včasih proti njemu. Osebje DAMA je izmerilo to letno modulacijo. Drugi konkurenčni projekti (npr. XENON, CDMS,Edelweiss in ZEPLIN) tega nista uspela, vendar teh poskusov ni mogoče neposredno povezati, zato je treba obsodbo odložiti.
Narava je lahko kruta. Fiziki lahko »nezaznavnost« jemljejo kot namig, da je čas, da se odpovemo, vendar vedno obstaja moteča možnost, da potrebujemo le boljši eksperiment. Ali pa se izkaže, da je temna snov tako zapletena kot navadna snov. Prejšnji poskusi so razkrili precej stroge omejitve, kako težko lahko pričakujemo - verjemite mi, da ljudi ne bi mogli zaznati iz temne snovi ali celo kemije temne snovi - vendar se nam lahko vseeno zdi v več oblikah. Najdemo nekaj delcev, ki lahko razloži le delček pričakovane skupne mase temne snovi.
V nekem smislu se je to že zgodilo. Nevtrini so nedosegljivi, a vseprisotni (60 milijard jih vsako sekundo preide skozi rožnati prostor). Skoraj nikoli ne komunicirajo z navadno snovjo in do leta 1988 smo verjeli, da nimajo popolnoma nobene mase. Pravzaprav nevtrini predstavljajo majhen del mase vesolja in se obnašajo kot čudna vrsta temne snovi. Niso "ista" temna snov, vendar lahko najdemo več vrst temne snovi.
Reči, da živimo v dobi odkritij, v resnici pomeni, da samo živimo v dobi močnega zanimanja. Fiziki trdijo, da bi dosegli nekaj pomembnega, če bi ugotovili, da temna snov ni wimps. Ali ne bi bilo to odkritje? Hkrati ta veja fizike vrvi z novimi idejami in konkurenčnimi teorijami. Nekateri raziskujejo idejo, da se interakcije pojavljajo v temni snovi, vendar v njih nikoli ne moremo sodelovati. V tem primeru interakcije tako majhnega obsega potekajo v temni snovi, da na noben način ne bi vplivale na sodobno kozmologijo. Tudi njeno eksotično vesolje - temni sektor - lahko obstaja v temni snovi. Ta možnost fizike tako prestraši in očara. Lahko bi trdili, da je temna snov kompleksno področje, ki nam bo vedno ušlo,razen interakcije z našimi svetovi s pomočjo gravitacije. Temni sektor je lahko podoben vzporednemu vesolju.
Precej enostavno se je zapletati z osnovno idejo temne snovi, ko so vse vaše izboljšave namišljene. To počnejo vsi teoretiki, ki preučujejo temno snov. Razvil sem idejo, da bi v temni snovi lahko prišlo do samo-interakcij, in to dodal v superračunalniški program za simulacijo galaksij. V velikem obsegu, kjer kozmologija daje vedno pravilne napovedi, ta sprememba ne naredi ničesar, v majhnem obsegu pa, ko teorija temne snovi včasih odpove, pomaga rešiti več vprašanj. Simulacije je zabavno gledati in lahko pomagajo pri razumnih napovedih. In čeprav je v njej toliko neznank - kar znanstveniki imenujejo "natančna nastavitev" -, se morda zdi, da so nekateri rezultati prilagojeni opazovanjem. Zato se vzdržujem presoje in vam svetujem, da storite enako.
Verjetno nikoli ne bomo zagotovo vedeli, ali lahko temna snov medsebojno deluje. V najboljšem primeru lahko ugibamo, kako močne so lahko te interakcije. Ko me vprašajo, ali je teorija samo-interakcije pravilna, rečem ne. Omejim se na to, da je mogoče, ni pa nujno. Razočaranje, kajne? Seveda mora kozmologija vsebovati globlje resnice, kot jih lahko razumemo.
Mogoče bodo nekega dne znanstveniki LUX-a ali njihovi konkurenti lahko našli tisto, kar iščejo. Ali pa z nekim neopisanim superračunalnikom izvem skrito resnico o temni snovi. Vendar v tem primeru to odkritje ne bo "človeško", se bo pojavilo nenadoma, kot rezultat raziskav več bogov iz stroja. Vesolje temne snovi je del našega vesolja, vendar ga nikoli ne moremo sprejeti.
Narava se nam epistemološko šali. Kar opažamo, obstaja samo v eni obliki, toda tisto, česar ne moremo raziskati, lahko obstaja v neskončnem številu držav. Dobra teorija mora biti zmedena. Temna snov je preprosta rešitev zapletenega problema, ne obratno. Pa vendar ni nobenega zagotovila, da bo to kdaj razloženo. In ne glede na to, ali jo astrofiziki lahko najdejo v konceptualnem smislu, je ne bomo mogli nikoli razumeti. Temna snov bo ostala zunaj našega razumevanja. Kakor koli že, življenje v vesolju, ki je večinoma nedostopno, živi na področju neskončnih možnosti.
Aleksander B Fry
Prevedel projekt NewWhat