Říkají, že ve vesmíru existuje nejtemnější hmota (pokud mluvíme o hmotě obecně). A přesto se s ním v každodenním životě prakticky nesetkáme. Známe slunce - nejhmotnější objekt sluneční soustavy - je vyrobeno z obyčejné hmoty (protony, neutrony a elektrony), ale existuje mnoho dalších zdrojů, včetně planet, plynu, prachu, plazmy a zbytků hvězd. Temná hmota mezi nimi není - a ani standardní model nepopisuje její částice. Temná hmota samozřejmě není jediným způsobem, jak vysvětlit pozorované gravitační jevy ve vesmíru. Další možností je upravit teorii gravitace, o kterou se již mnozí pokoušeli. To dalo vzniknout myšlence Modified Newtonian Dynamics (MOND) a dalším teoriím, které jsou stále populární alternativou k temné hmotě.
Abychom někde začali, musíme se vrátit do 19. století a mluvit o problému, který existoval dlouho předtím, než „chyběla hmota“(nebo „chybějící světlo“), kterou se snaží vyřešit temná hmota a MOND: problém Uran-Merkur. Newtonův gravitační zákon, jehož průkopníkem byl Newton v roce 1600, byl neuvěřitelně úspěšný při popisu všeho - pokud víme - bylo použito. Od pohybu projektilů po válcování objektů; od hmotnosti předmětů po tikání kyvadlových hodin; od vztlaku lodi na oběžnou dráhu měsíce kolem Země Newtonova gravitace nikdy neselhala.
Keplerovy tři zákony, zvláštní případ Newtonova gravitačního vzorce, byly aplikovány na všechny známé planety ve stejném rozsahu:
1. Planety se pohybují v elipsách se Sluncem v jednom z ohnisek.
2. Každá planeta se pohybuje v rovině procházející středem Slunce a ve stejných časových intervalech popisuje poloměrový vektor spojující Slunce a planetu stejné oblasti.
3. Čtverce period revoluce planet kolem Slunce se označují jako kostky polopodstatných os oběžných drah planet.
Všechny známé vnitřní a vnější světy tyto zákony dodržovaly, takže po stovky let nebyly zjištěny žádné odchylky. Ale s objevem Uranu v roce 1781 se něco změnilo. Zatímco poslední z objevených planet se pohybovala v elipsě kolem Slunce, pohybovala se špatnou rychlostí ve srovnání s předpokládanými zákony gravitace.
Propagační video:
Během prvních 20 let od svého otevření se pohyboval rychleji, každou noc a každý rok, než diktovaly zákony. Během příštích 20–25 let se planeta pohybovala v přísném souladu se zákony. Ale pak se to zpomalilo a rychlost klesla pod předpokládanou hodnotu.
Došlo k chybě v gravitačním zákoně? Možná. Je ale také možné, že na Uranu působilo trochu víc hmoty - něco neviditelného, temného - což narušovalo jeho oběžnou dráhu. Je to spíš jako pravda. Po teoretické válce mezi Urbainem Le Verrierem a Johnem Coachem Adamsem, kteří pracovali samostatně a předpovídali umístění nové planety, byly Le Verrierovy předpovědi potvrzeny Johannem Hallem a jeho asistentem Heinrichem d'Arrem 23. září 1846. Byla objevena planeta Neptun, první objekt, jehož existence byla odvozena z účinků její hmoty: gravitačního vlivu.
Na druhé straně vnitřní planeta Merkur - díky zvýšené přesnosti pozorování a v kombinaci se sekulárními daty - začala vykazovat ještě podivnější porušení gravitačních zákonů. Pokud Keplerovy zákony předpovídaly, že by se planety měly pohybovat v ideálních elipsách se Sluncem v jednom z ohnisek, pak za podmínky, že neexistují žádné další masy, které by systém narušovaly nebo ovlivňovaly. Ale kolem nejsou žádné masy a Merkur se nepohybuje po dokonalé elipsě. Jeho elipsa precesy v průběhu času.
Pomocí Newtonových gravitačních zákonů bychom mohli vzít v úvahu vliv všech známých planet (včetně Neptunu). Po provedení tohoto všeho bychom zjistili, že mezi předpokládaným a pozorovaným zůstává mírný rozpor: 43 precese za století, neboli 0,012 stupňů za století. Ale to nebyla nehoda.
Jaké je vysvětlení tentokrát? Souvisí tato nová neviditelná hmota s vnitřkem Merkuru? Nebo se skutečný problém vkradl do gravitačního zákona? Důkladné hledání odpovědi na tuto otázku vedlo k nové teoretické planetě Vulcan, která měla být blíže ke Slunci než kdokoli jiný. Ale žádný Vulkán nebyl nalezen. Řešení přišlo v roce 1915, kdy Einstein nastínil svou teorii obecné relativity.
Nyní přeskočíme čas do 70. let - do řady vědeckých pozorování Věry Rubinové. Pozorujeme jednotlivé galaxie - zejména okrajové galaxie - a měříme jejich rychlostní profily. Podíváme se na jednu stranu galaxie a zjistíme, že se pohybuje směrem k nám (posunem modré), díváme se na druhou - pohybuje se od nás (červeným posuvem), a tak určujeme rotaci galaxie. Co od nich očekáváme? Stejně jako naše sluneční soustava se i vnitřní hvězdy musí otáčet rychleji a čím dále od středu, tím nižší musí být rychlost. Ale to není to, co najdeme.
Místo toho zůstává rychlost rotace každé jednotlivé galaxie konstantní bez ohledu na vzdálenost. Proč? Opět existují dvě možnosti: buď je třeba zlepšit zákony gravitace, nebo musíme předpokládat existenci neviditelné přebytečné hmoty.
MOND si poprvé všiml Moti Milgrom v roce 1981, který si všiml, že kdybychom změnili zákon gravitace při velmi nízkých zrychleních - něco jako zlomky nanometru za sekundu na druhou - mohli bychom vysvětlit tyto rotační křivky. Stejná modifikace, jednoduchá a konzistentní, by navíc mohla vysvětlit rotaci všech galaxií, od nejmenších po největší. MOND to stále dělá a dělá to dobře.
Temná hmota naopak naznačuje, že kromě normálních částic standardního modelu a běžné hmoty „protonů, neutronů a elektronů“, které tvoří téměř vše, co víme, existuje nový typ hmoty. Abychom vysvětlili rotační jev, bylo navrženo zavést velkou halo hmoty, která neinteraguje se světlem, ale nelepí se spolu a neinteraguje s běžnou hmotou, kromě gravitačního. To byla myšlenka temné hmoty.
Temná hmota může vysvětlit tyto rotační křivky, ale nedělá to tak dobře jako MOND. Numerické simulace halo, které produkují i ty nejjednodušší modely temné hmoty, neodpovídají pozorování; svatozáře jsou uprostřed příliš „sraženy“a na okraji příliš „načechrané“. (Z technického hlediska se zdají být izotermičtější, než se čekalo). Stručně řečeno, MOND byl zpočátku jasným vůdcem.
Ale tam dále začal celý vesmír. Když navrhujete novou teorii, která nahradí starou - jak obecná relativita nahradila Newtonovy zákony - vaše teorie musí splňovat tři principy:
1. Musí reprodukovat plný úspěch předchozí vedoucí teorie.
2. Musí úspěšně vysvětlit nový fenomén (nebo jevy), pro který byl vytvořen.
3. A musí vytvářet nové předpovědi, které budou experimentálně nebo observačně ověřeny, potvrzeny nebo vyvráceny, aby byly pro novou teorii jedinečné.
Mluvíme o všech úspěších předchozí vedoucí teorie a je jich mnoho.
Existuje gravitační zakřivení hvězdného světla hmotou, silnou a slabou gravitační čočkou. Existuje efekt Shapiro. Existuje gravitační dilatace času a gravitační rudý posuv. Existuje koncept velkého třesku a koncept rozpínajícího se vesmíru. Ve skupinách dochází k pohybům galaxií a shlukování galaxií samotných v největších měřítcích.
V případě všech těchto příkladů - všech - MOND utrpí zdrcující porážku, a to buď tím, že nenabízí žádné předpovědi, nebo vytváří předpovědi, které jsou frustrující v rozporu s dostupnými údaji. Můžete správně poukázat na to, že MOND nikdy neměl být úplnou teorií, ale spíše popisem jednoho jevu, který by mohl vést k úplnější teorii. Mnoho lidí pracuje na rozšíření MOND, které by tato pozorování mohlo vysvětlit, ale bezvýsledně.
Ale pokud budete pokračovat v Einsteinově gravitačním zákoně a přidáte pouze novou přísadu, studenou temnou hmotu, můžete vysvětlit vše, včetně několika nových neobvyklých nuancí.
Můžete vysvětlit shlukovací vzorec, který je pozorován ve struktuře vesmíru ve velkém měřítku, pokud máte pětkrát více temné hmoty než běžné hmoty.
A ještě působivější je, že můžete udělat zcela novou předpověď: když se srazí dvě kupy galaxií, plyn v nich se zahřeje, zpomalí a emituje rentgenové záření, zatímco hmota, kterou vidíme pomocí gravitačních čoček, sleduje temnou hmotu a je nahrazena rentgenovými paprsky. Tato nová předpověď byla experimentálně potvrzena a drží se již deset let a poskytuje nepřímé potvrzení o existenci temné hmoty.
MOND má tu výhodu, že vysvětluje křivky galaktické rotace lépe než temná hmota. Toto však není fyzikální teorie a nehodí se k celé sadě pozorování, která máme. Temná hmota existuje - alespoň teoreticky - protože nám dává stejný vesmír, konzistentní, bez jakýchkoli modifikací.
Ale současná selhání MOND, kosmologická, ji dala pod temnou hmotu. Nechte ho reprodukovat všechny úspěchy obecné relativity, vysvětlovat nové jevy, vytvářet předpovědi, které lze potvrdit - a vědci nepochybně převedou na novou víru. Koneckonců, jsou to dobří vědci.