Neznámý vesmír – Temná hmota versus nová teorie gravitace

rubrika: Populárně naučný koutek


Jak bylo řečeno v části Neznámý vesmír – Opravdoví bastardi, s představou o jakési „temné hmotě“ přišel švýcarsko-americký astronom Fritz Zwicky, jelikož mu z výpočtů vyplynulo, že se galaxie v jedné z galaktických kup pohybují mnohem rychleji, než jak by odpovídalo jejich hmotnosti, tedy té „viditelné“. V roce 1959 zkoumání Galaxie v Andromedě ukázalo, že rychlost, s jakou se přibližuje k Mléčné dráze, naznačuje, že tyto dvě galaxie jsou k sobě přitahovány gravitační silou, která je asi 1000x větší než kolik odpovídá jejich vzájemné hmotnosti. A to nebylo všechno.

 

Lucifer


V sedmdesátých letech minulého století bylo zjištěno, že plynná oblaka v téže galaxii se pohybují nejen rychleji, než by odpovídalo dostatečnému množství viditelné hmoty, ale okrajové oblaky létaly téměř stejně rychle jako oblaky ve středu, což neodpovídá tomu, co jsme věděli o gravitaci a jejím slábnoucím vlivu s rostoucí vzdáleností. Následná pozorování ukázala, že další spirální galaxie rovněž vykazují tyto „ploché rotační křivky“. Astronomové dle svých výpočtů došli k závěru, že galaxie musí být obklopena ohromným oblakem hmoty. Tento oblak ve tvaru kulové obálky zvané halo by měl obsahovat 10-100x více hmoty než hvězdy. Temné hmoty, jejíž podstata a detekce je zcela nejasná.

 

Ze zcela jiného úhlu pohledu se k problému postavil izraelský fyzik Mordehai Milgrom. Přemýšlel, zda se ve vzdálených oblastech galaxie gravitační síla nemění. Newtonův zákon o gravitaci říká, že se zmenšuje se čtvercem vzdálenosti. Jenomže ploché rotační křivky ukazovaly, že galaxii k tomu nedochází. Skoro jako by gravitace v periferních oblastech působila ještě o trochu více. Milgrom si nejprve myslel, že v určitých vzdálenostech zákon o zmenšování přitažlivé síly přestává platit, jenomže matematický model pozorované skutečnosti nedokázal dát dohromady. Pak ho napadlo, že se nemusí jednat o určitou fixní vzdálenost, nýbrž sama gravitace má jistou hranici, pod kterou neklesne. Zákon o druhé mocnině vzdálenosti by přestal fungovat, pokud by gravitační síla poklesla na určitou úroveň. Svou hypotézu Milgrom nazval MOND (Modifikovaná newtonovská dynamika). Na jejím základě sice uměl krásně popsat rotaci galaxií, nedokázal ale říci, proč ke změně v gravitaci dochází.

 

Bez teoretického základu tak astronomové zůstávali povětšinou skeptičtí. Kdyby měl Milgrom pravdu, znamenalo by to, že potřebujeme zcela novou gravitační teorii – ale ne takovou, o jakou se snažili teoretikové černých děr. Černé díry totiž vyžadují vylepšenou gravitační teorii pro ty případy, kdy je gravitace extrémně vysoká. Milgromovy myšlenky se týkaly změny gravitace na opačném konci spektra, tedy ve slabých polích, a to pro mnohé teoretiky bylo prostě moc. A tak nezbývalo, než se vrátit ke konceptu temné hmoty, ačkoli ten procházku růžovým sadem také nesliboval. Do hry vstoupila kvantová mechanika.

 

Jejím základním kamenem je předpoklad, že vesmír je tvořen jakýmisi elementárními částicemi, jež spolu interagují prostřednictvím jiných elementárních částic. Překvapením bylo, že při kvantovém vysvětlování sil v atomovém jádru získali teoretikové postupně schopnost předpovídat objevy zcela nových částic. Prvním člověkem, který s tím přišel a vydláždil tím také cestu k moderním představám o temné hmotě, byl Wolfgang Pauli.

 

V roce 1930 pracoval Pauli na teorii radioaktivity, ale něco mu ve výpočtech neustále chybělo. Jako by z reakcí někudy nepozorována utíkala energie. Nakonec dospěl k závěru, že zde musí figurovat nějaká dosud neznámá částice, která odnáší onu energii. Novou hypotetickou částici nazval neutron, jelikož předpokládal, že je elektricky neutrální. Dále předpokládal, že má přibližně stejnou hmotnost jako elektron. Někteří kvantoví teoretikové jeho myšlenku vzali v potaz a začali se po této částici pídit. V roce 1932 se zdálo, že přichází průlom. James Chadwick na Cambridgeské univerzitě objevil elektricky neutrální částici, která za určitých okolností z atomů vyletovala. Brzy ale výzkumy ukázaly, že tento neutron má mnohem větší hmotnost, než odhadoval Pauli.

 

O pouhý rok později se Pauliho hypotetickou částicí nechal inspirovat italský fyzik Enrico Fermi a použil ji při konstrukci matematické teorie beta rozpadu. Jediný háček spočíval v tom, že aby teorie skutečně fungovala, potřebovala uvnitř atomu působení určité síly, která byla dosud neznámá. Zpočátku se zdálo, že Fermiho výpočty založené na pozorování beta rozpadu věc vyřeší, avšak brzy z nich vyplynulo, že jím vypočtená síla je na udržení jádra pohromadě příliš slabá. V jádru musejí tedy působit síly dvě: silná a slabá – ovšem za předpokladu, že Paulim navrhovaná neutrální částice doopravdy existuje. Aby Fermi tuto částici odlišil od Chadwickova neutronu, nazval ji neutrino, což v italštině znamená „to maličké neutrální“.

 

Experimentální důkaz existence neutrin nebyl tak snadný. Bylo totiž spočítáno, že neutrinu s ostatními hmotnými částicemi interaguje tak nepatrně, že ani vrstva olova o tloušťce jednoho světelného roku je nemusí zachytit. K experimentům, jež prokázaly skutečnou existenci neutrina, přispěl zcela nečekaně Projekt Manhattan, jehož cílem bylo zkonstruovat metodou pokusu a omylu atomovou bombu, a jehož se účastnil i Fermi. Vedlejším produktem tohoto projektu byly jaderné reaktory, které dle Fermiho hypotézy měly být továrnami na neutrina. S dostatečnou důvěryhodností byla neutrina detekována až v šedesátých letech minulého století.

 

Pokud chtěli teoretici dotáhnout kvantovou revoluci až do konce, potřebovali najít teorii, která by vysvětlila gravitaci jako výměnu částic, nikoli na základě zakřivení časoprostoru podle Einsteinovy obecné teorie relativity. V sedmdesátých letech se pilně věnovali teorii silné jaderné interakce a rozhodovali se mezi dvěma soupeřícími přístupy. Podle prvního jsou protony a neutrony tvořeny základními částicemi nazývanými kvarky, mezi nimž působí silná síla přenášená prostřednictvím částic zvaných gluony. Druhý přístup viděl v částicích nikoli malinké kuličky, nýbrž smotané miniaturní struny.

 

Rozpory se uklidnily poté, co v šedesátých a sedmdesátých letech proběhla řada experimentů v urychlovači částic, kdy byly pozorovány kvarky. Na okamžik se zdálo, že teorie strun je zbytečná, jenomže pak si fyzici začali všímat, že v matematice, která ji popisuje, se ukrývá velice zajímavá částice. Přestože byla pouze hypotetická, zdálo se, že by mohla být nositelem gravitace. Začalo se o ní hovořit jako o gravitonu. Na samém počátku 21. století se fyzikové takřka houfně přiklonili k teorii strun. To proto, že se začínalo ukazovat, že by strunová teorie mohla nejen podat vysvětlení kvantové gravitace, ale také poskytnout zastřešující teorii pro všechny základní síly.

 

Pro transformaci strunové teorie do teorie všeho je zapotřebí ještě ověřit další hypotézu. Je známa jako supersymetrie. Podle ní existuje pro každý známý typ částice její symetrický superpartner. Jedna obzvlášť netečná supersymetrická částice se jmenuje neutralino, a pokud existuje, je přesně tím, co by astronomové potřebovali pro temnou hmotu. Váží tisíckrát více než proton a interaguje velmi slabě prostřednictvím gravitace a slabé jaderné síly. Několik experimentů směřovalo k tomu, aby byla existence neutralin prokázána. Žádného jednoznačného úspěchy nebylo zatím dosaženo.

 

I nadále neexistuje žádný důkaz, že temná hmota vůbec existuje. A přece jsou výsledky astronomických pozorování pomocí temné hmoty běžně interpretovány. Někteří fyzici se tudíž vrací k nejen Milgromovým představám, že místo hledání temné hmoty je třeba přeformulovat teorii gravitace.

 

Luciferova poznámka:

 

Problém možná spočívá v tom, že teoretičtí fyzikové jsou příliš umanutí matematickými konstrukcemi. Třeba celá čísla. Je opravdu nutné, aby gravitační síla, ale třeba i elektrostatická síla, klesala se čtvercem vzdálenosti? S jedenkrát umocněným celým číslem? Co je vesmíru do našich čísel. Podle teorie relativity jsou nejen vzdálenosti relativní, z čehož by jeden mohl vydumat, že i ta čísla jsou relativní. Do jaké míry má pravdu teorie relativity? Je možné celý vesmír vetknout do jakési časoprostorové sítě či ho zamotat do strun v předivu neviditelných prostorových rozměrů? Zatímco temnou hmotu je stále možné hledat, neviditelně zabalené dodatečné prostorové rozměry v superstrunové teorii hledat a priori nelze.

 

Nejsou tyhle problémy nejen teoretických fyziků a priori zabudovány v tom, že se zuby nehty snažíme držet pracně vybudovaných schémat, a to i přesto, že se nám pod rukama drolí jako hrad z písku?

 

Zdroj: Stuart Clark, Neznámý vesmír v 10 kapitolách, Euromedia Group, a.s. – Knižní klub v edici Universum, Praha 2017


komentářů: 11         



Komentáře (11)


Vložení nového příspěvku
Jméno
E-mail  (není povinné)
Název  (není povinné)
Příspěvek 
PlačícíÚžasnýKřičícíMrkajícíNerozhodnýS vyplazeným jazykemPřekvapenýUsmívající seMlčícíJe na prachySmějící seLíbajícíNevinnýZamračenýŠlápnul vedleRozpačitýOspalýAhojZamilovaný
Kontrolní kód_   

« strana 1 »

mefi
11
mefi * 12.03.2018, 18:36:40

K problému rychlosti pohybu galaxií a potažmo temné hmoty

My přece nevíme, jak rychle plyne čas v galaxiích, tedy nevíme jak rychlé jsou hodiny v lokální inerciální soustavě v galaxiích, které pozorujeme. Je možné jejich lokální čas plyne mnohem pomaleji (OTR) než ten, který je v naší lokální inerciální soustavě.

Řečeno lapidárně: Bůh stvořil svět za 7 dní, ale za sedm dní božích, u nás to trvalo 13.7 miliardy let. A nemusel tedy nijak spěchat...
.
Mrkající

10 Mefi 2
Pavel Nedbal (neregistrovaný) * 10.03.2018, 21:05:00
Vážený Mefi,
Vaše úvaha (0, 000 000 000 1 metru) platí jen pro molekuly prstu bezprostředně v kontaktu s podložkou, takže na ty velké (7000) Newtony zapomeňte.

9 2 Světlonoš
Starý kocour (neregistrovaný) 10.03.2018, 16:50:41
Další zajímavá úvaha o spojení mikrokosmu s vesmírem. Je docela možné, že fyzika je jenom jedna, pouze nevíme, kde jsou obě oblasti našich znalostí spojeny. Kde jedna přechází v druhou.

http://www.osel.cz/9813-giganticke-astrofyzikalni-disky-funguji-podle-schr-dingerovy-rovnice.html

8 2 Světlonoš
Starý kocour (neregistrovaný) 10.03.2018, 10:43:04
Škoda, umožnilo by mi to (v mé hlavě) vytěsnit temnou energii i temnou hmotu.

Prostě se mi ty konstrukce nelíbí - ač jsem nikde nenašel silné protiargumenty.
To už opravdu raději uvažovat o nelinearitě gravitace. Ostatně - leckteré rovnice se časem kázaly jako platné jenom určitém rozsahu parametrů.

Lucifer
7
Lucifer * 09.03.2018, 12:55:27
Starý kocoure, představa, že hmotnost galaxií je mnohem větší, než jak jsme si díky našim měřením dosud mysleli, by mohla vysvětlit pozorovanou rychlost pohybu galaxií ve hvězdokupách (viz první odkaz v perexu). Nemyslím si však, že by to mohla mít na svědomí silně podhodnocená hmotnost centrální černé díry. Na Aldebaranu i na Wikipedii jsem našel informaci, že centrální černá díra v Mléčné dráze (Sagittarius A*) zhruba 4*10^6 Ms (hmotnost Slunce). Hmotnost centrální části Mléčné dráhy (bez hala a koróny) se odhaduje na 2*10^11 Ms. Hmotnost centrální černé díry by musela být vynásobena nejméně 10^5 krát (nebo řekněme alespoň 10^4 krát), aby se to nějak projevilo na změně rychlosti galaxií ve hvězdokupě. Aktuálně předpokládaný Schwarzschildův poloměr naší centrální ČD je zhruba 13 milionů kilometrů. Ten by se musel též vynásobit 10^5 krát. I kdyby to bylo možné, nevysvětlovalo by to pozorovaný fakt, že plynná oblaka na okrajích galaxie obíhají skoro stejnou rychlostí jako oblaka mnohem blíže k jádru galaxie. Úžasný

6 ještě jedna mimoňská noticka
Starý kocour (neregistrovaný) 09.03.2018, 12:07:20
Nelinearita, stav, kdy se něco nechová podle jednoduchých vzorců je přece docela běžný. Třeba na hranici newtonovské a částicové fyziky, kdy se věci mohou chovat tak nebo i onak.
Mrkající
A omlouvám se, že žvaním o věcech, o kterých mám jen opravdu velmi, velmi matné povědomí.

5 Od částic k Univerzu
Starý kocour (neregistrovaný) 09.03.2018, 11:52:55
Bohužel jsem v tomhle ohledu naprosto mimo. Ćtu a když tomu věřím je to stejné, jako víra v cokoliv jiného.
Jenom poznámka naprostého mimoně: V centrech mnohých galaxií byly pozorovány (vypočteny) černé díry o mnoho řádů těžší, než se předpokládalo. Není nakonec tohle příčinou rozporů různých gravitačních teorií? Tím by se výpočty mohly zbavit jak potřeby temné hmoty, tak temné energie.
Možná, nevím, nejsem schopen ani odhadnut. Jenom že se počítalo s mnohem skromnějšími dírami. A tedy že celková hmotnost galaxií bude větší.
Zatím se superhmotné díry podařilo objevit v běžných diskových galaxiích, v kulových hvězdokupách, pokud vím, zatím ne.

Nicméně existence černých děr v jádrech téměř všech plochých galaxií mě potěšila, protože tak nějak se mi a představa líbila i v době, kdy tohle ještě nebylo prokázáno. Vnášelo mi to do (mého) vnímání vesmíru nějaký řád.

Škoda, že se zatím nepodařilo objevit ani náznak bílých děr.

Stella
4
Stella 09.03.2018, 09:58:38
Sympatické je, když pochybuje odborník.
Nadhled, odstup!

mefi
3 To Světlonoš
mefi * 09.03.2018, 08:14:22
.
Je to sice nošení sov do Atén, ale poděkování patří Světlonošovi za skvěle sepsaný příspěvek!
.

https://youtu.be/HgM8kOptWCE

.
Usmívající se

mefi
2
mefi * 09.03.2018, 08:11:22
.
Už to tady sice bylo:

Výpočet gravitační síly z Newtonova gravitačního zákona, která působí na pokožku dvou pevně stisknutých prstů o hmotnosti 2 gramů (1 gram krát 1 gram) na vzdálenost 0, 000 000 000 1 metru (přibližně trojnásobek délky chemické vazby) dává hodnotu téměř 7000 Newtonů, tj. přibližně tíha, kterou je 700 kg těžké těleso přitahováno gravitační silou k Zemi.

Výsledek výpočtu síly z gradientu energie chemické (kovalentní) vazby je řádově úplně jinde!

Příčina bude zřejmě ukryta v tom, že gravitační interakce nekomutuje (Newtonův gravitační zákon komutuje).
.
Mrkající

mefi
1
mefi * 09.03.2018, 07:39:35
.
Nemůže být problém v tom, že nejenom náš Vesmír, potažmo Universum je rekurentní.

Mechanický analogon: Mám dvě zrcadla. Jedno před sebou, druhé na své úrovni, umístěné tak, abych viděl v obou zrcadlech rekurentní obrazy. Je to stejné, jako když kamera zabere obrazovku televizoru, na které je zobrazován signál z předmětné kamery.

Zobecnění tohoto analogu si lze představit tak, že před pozorovatele a za pozorovatel (potažmo na jeho úrovni) jsou umístěna zrcadla, na nichž se stojí čas.

Otázkou je, co se stane, když rekurence prochází Planckovou vzdáleností? Dochází ke změně polarity strukturování Universa (postrádaná antihmota z kreace vesmíru)?

Více na https://processing.cz/kosmos.pdf
.
Usmívající se

«     1     »