Viņi saka, ka Visumā ir visvairāk tumšās matērijas (ja mēs vispār runājam par matēriju). Un tomēr ikdienas dzīvē mēs to praktiski nesastopam. Mēs zinām, ka saule - masīvākais objekts Saules sistēmā - ir izgatavota no parastās vielas (protoni, neitroni un elektroni), taču ir daudz citu avotu, tostarp planētas, gāze, putekļi, plazma un zvaigžņu paliekas. Tumšās matērijas to vidū nav - un pat Standarta modelis neapraksta tā daļiņas. Protams, tumšā matērija nav vienīgais veids, kā izskaidrot novērotās gravitācijas parādības Visumā. Vēl viena iespēja ir modificēt gravitācijas teoriju, ko daudzi jau ir mēģinājuši izdarīt. Tas radīja ideju par modificēto Ņūtona dinamiku (MOND) un citām teorijām, kas joprojām ir populāras alternatīvas tumšajai vielai.
Lai kaut kur sāktu, mums jāatgriežas 1800. gados un jārunā par problēmu, kas pastāvēja ilgi pirms “trūkstošās masas” (vai “trūkstošās gaismas”), kuru mēģināja atrisināt tumšā matērija un MOND: Urāna-Merkura problēma. Ņūtona gravitācijas likums, kura aizsācējs bija Ņūtons tālajā 1600. gados, neticami veiksmīgi aprakstīja visu - cik mums zināms - tas tika piemērots. Sākot no lādiņu pārvietošanās līdz ripojošiem priekšmetiem; no priekšmetu svara līdz svārsta pulksteņa atzīmēšanai; no laivas peldspējas līdz Mēness orbītai ap zemi Ņūtona gravitācija nekad neizdevās.
Trīs Keplera likumi, īpašs Ņūtona gravitācijas formulas gadījums, vienādā mērā attiecās uz visām zināmajām planētām:
1. Planētas pārvietojas elipsēs ar Sauli vienā no fokusiem.
2. Katra planēta pārvietojas plaknē, kas iet caur Saules centru, un vienādos laika intervālos rādiusa vektors, kas savieno Sauli un planētu, apraksta vienādus laukumus.
3. Ap Sauli esošo planētu apgriezienu periodu kvadrāti tiek dēvēti par planētu orbītu daļēji lielāko asu kubiem.
Zināmā iekšējā un ārējā pasaule visi ievēroja šos likumus, tāpēc simtiem gadu netika konstatētas novirzes. Bet, atklājot Urānu 1781. gadā, kaut kas mainījās. Kamēr pēdējā no atklātajām planētām pārvietojās elipsē ap Sauli, tā virzījās nepareizā ātrumā, salīdzinot ar prognozētajiem gravitācijas likumiem.
Reklāmas video:
Pirmajos 20 gados kopš atvēršanas tā katru vakaru un gadu pārvietojās ātrāk, nekā likumi noteica. Nākamo 20-25 gadu laikā planēta pārvietojās, stingri ievērojot likumus. Bet tad tas palēninājās, un ātrums nokritās zem prognozētā.
Vai gravitācijas likumā bija kļūda? Var būt. Bet ir arī iespējams, ka bija nedaudz vairāk matērijas - kaut kas neredzams, tumša matērija -, kas ietekmēja Urānu, izraisot traucējumus tā orbītā. Tas vairāk līdzinās patiesībai. Pēc teorētiskā kara starp Urbainu Le Verjeru un Džonu Treneri Adamsu, kuri strādāja neatkarīgi un izteica prognozes par jaunās planētas atrašanās vietu, Le Verjēra prognozes Johans Halle un viņa palīgs Heinrihs d'Arrs apstiprināja 1846. gada 23. septembrī. Tika atklāta Neptūna planēta - pirmais objekts, kura eksistence tika secināta no tās masas sekām: gravitācijas ietekmes.
No otras puses, iekšējā dzīvsudraba planēta - pateicoties pastiprinātai novērojumu precizitātei un kombinācijā ar laicīgajiem datiem - sāka demonstrēt vēl dīvaināku gravitācijas likumu pārkāpumu. Ja Keplera likumi paredzēja, ka planētām vajadzētu pārvietoties ideālās elipsēs ar Sauli vienā no fokusiem, tad ar nosacījumu, ka nav citu masu, kas pārkāpj vai ietekmē sistēmu. Bet apkārt nav masu, un Merkurs nepārvietojas pa perfektu elipsi. Tās elipse laika gaitā precīzi notiek.
Izmantojot Ņūtona smaguma likumus, mēs varētu ņemt vērā visu zināmo planētu (ieskaitot Neptūnu) ietekmi. To visu paveicot, mēs atklāsim, ka starp prognozēto un novēroto saglabājas neliela neatbilstība: 43 collu precesija gadsimtā jeb 0,012 grādi gadsimtā. Bet tas nebija nelaimes gadījums.
Kāds ir skaidrojums šoreiz? Vai šī jaunā neredzamā masa ir saistīta ar Merkura interjeru? Vai arī patiesā problēma ir iekļuvusi gravitācijas likumā? Rūpīgi meklējot atbildi uz šo jautājumu, tika izveidota jauna teorētiskā planēta Vulcan, kurai vajadzēja būt tuvāk Saulei nekā visiem pārējiem. Bet vulkāns netika atrasts. Risinājums radās 1915. gadā, kad Einšteins izklāstīja savu vispārējās relativitātes teoriju.
Tagad mēs izlaidīsim laiku līdz 1970. gadiem - līdz vairākiem Veras Rubinas zinātniskajiem novērojumiem. Mēs novērojam atsevišķas galaktikas, jo īpaši malas galaktikas, un mēra to ātruma profilus. Mēs skatāmies uz vienu galaktikas pusi un redzam, ka tā virzās uz mums (ar zilo nobīdi), mēs skatāmies uz otru - tā attālinās no mums (ar sarkano nobīdi), un tā mēs nosakām galaktikas rotāciju. Ko mēs no viņiem sagaidām? Tāpat kā mūsu Saules sistēmai, iekšējām zvaigznēm ir jāgriežas ātrāk, un jo tālāk no centra, jo zemākam jābūt ātrumam. Bet tas nav tas, ko mēs atrodam.
Tā vietā katras atsevišķās galaktikas rotācijas ātrums paliek nemainīgs neatkarīgi no attāluma. Kāpēc? Atkal ir divas iespējas: vai nu jāuzlabo gravitācijas likumi, vai arī mums jāpieņem, ka pastāv neredzama liekā masa.
Pirmo reizi MOND 1981. gadā pamanīja Moti Milgroms, kurš novēroja, ka, ja mēs mainītu gravitācijas likumu ļoti zemos paātrinājumos - kaut kas līdzīgs nanometra daļām sekundē kvadrātā - mēs varētu izskaidrot šīs rotācijas līknes. Turklāt tā pati modifikācija, vienota un konsekventa, varētu izskaidrot visu galaktiku rotāciju, sākot no mazākajām līdz lielākajām. MOND joprojām to dara un dara labi.
Tumšā matērija savukārt liek domāt, ka papildus parastajām standarta modeļa daļiņām un parastajai matērijai "protoniem, neitroniem un elektroniem", kas veido gandrīz visu, ko mēs zinām, ir arī jauns matērijas veids. Lai izskaidrotu rotācijas fenomenu, tika ierosināts ieviest lielu vielas oreolu, kas mijiedarbojas ar gaismu, bet nelīp kopā un nedarbojas ar parasto matēriju, izņemot gravitāciju. Tā bija tumšās matērijas ideja.
Tumšā matērija var izskaidrot šīs rotācijas līknes, taču tas to nedara tik labi kā MOND. Skaitliskās simulācijas halos, kas rada pat vienkāršākos tumšās vielas modeļus, nesakrīt ar novērojumiem; oreoli ir pārāk "notriekti" centrā un pārāk "pūkaini" nomalē. (No tehniskā viedokļa tie, šķiet, ir vairāk izotermiski, nekā gaidīts). Īsāk sakot, MOND sākumā bija skaidrs līderis.
Bet tur, tālāk, sākās viss Visums. Kad jūs piedāvājat jaunu teoriju, kas aizstātu veco - kā vispārējā relativitāte aizstāja Ņūtona likumus -, jūsu teorijai jāatbilst trim principiem:
1. Tam jāatspoguļo iepriekšējās vadošās teorijas visi panākumi.
2. Tam ir veiksmīgi jāpaskaidro jaunā parādība (vai parādības), kurai tā tika izveidota.
3. Un viņai jāizdara jaunas prognozes, kuras eksperimentāli vai novērojumu veidā tiks pārbaudītas, apstiprinātas vai atspēkotas, lai tā būtu unikāla tikai jaunajai teorijai.
Mēs runājam par visiem iepriekšējās vadošās teorijas panākumiem, un to ir daudz.
Ir gravitācijas zvaigžņu gaismas izliekums pēc masas, stipra un vāja gravitācijas lēca. Ir Šapiro efekts. Ir gravitācijas laika dilatācija un gravitācijas sarkanā nobīde. Ir Lielā sprādziena un paplašināšanās Visuma jēdziens. Galaktiku kustības notiek kopās un pašu galaktiku kopas vislielākajos mērogos.
Visu šo piemēru gadījumā - visi - MOND cieš satriecošu sakāvi, vai nu nepiedāvājot prognozes, vai arī veicot prognozes, kas ir nomākta pretrunā ar pieejamajiem datiem. Jūs varat pamatoti norādīt, ka MOND nekad nebija paredzēts kā pilnīga teorija, bet gan vienas parādības apraksts, kas varētu novest pie pilnīgākas teorijas. Daudzi cilvēki strādā pie MOND paplašinājuma, kas varētu izskaidrot šos novērojumus, taču bez rezultātiem.
Bet, ja jūs turpināsiet Einšteina gravitācijas likumu un vienkārši pievienosiet jaunu sastāvdaļu, aukstu tumšo vielu, jūs varat visu izskaidrot, ieskaitot dažas jaunas neparastas nianses.
Jūs varat izskaidrot klasterizācijas modeli, kas tiek novērots Visuma liela mēroga struktūrā, ja jums ir piecas reizes vairāk tumšās matērijas nekā parastās matērijas.
Un vēl iespaidīgāk ir tas, ka jūs varat izteikt pilnīgi jaunu prognozi: saduroties divām galaktiku kopām, tajās esošā gāze uzsilst, palēninās un izstaro rentgenstarus, savukārt masa, kuru mēs redzam ar gravitācijas lēcu palīdzību, seko tumšajai vielai un tiek aizstāta ar rentgena stariem. Šī jaunā prognoze ir apstiprināta eksperimentāli, un tā pastāv jau desmit gadus, sniedzot netiešu apstiprinājumu tumšās matērijas esamībai.
MOND priekšrocība ir labāk izskaidrot galaktikas rotācijas līknes nekā tumšā viela. Bet šī nav fiziska teorija un neatbilst visam mūsu novērojumu kopumam. Tumšā matērija pastāv - vismaz teorētiski -, jo tā mums dod to pašu Visumu, konsekventu, bez jebkādām modifikācijām.
Taču MOND pašreizējās kosmoloģiskās neveiksmes to noliek zem tumšās matērijas. Ļaujiet viņam atkārtot visus vispārējās relativitātes panākumus, izskaidrot jaunas parādības, izteikt prognozes, kuras var apstiprināt - un zinātnieki neapšaubāmi pievērsīsies jaunai ticībai. Galu galā viņi ir labi zinātnieki.