— Published on 15/05/2021 / Bug.hr.
Ideja tamne tvari postoji već stotinjak godina no njezina je priroda i dalje nepoznata; zadnjih se godina situacija pogoršava jer nalazimo sve više problema koje hipoteza tamne tvari ne može objasniti
* Naslov teksta parafraza je naslova Energetska kriza: gdje (ni)je izlaz? knjige Vladimira Paara (Zagreb, Školska knjiga, 1984.) koju sam prvi put čitao prije točno 30 godina. Tada me oduševila, a i danas mislim da je to sjajna knjiga bez obzira na moja svjetonazorska razilaženja s autorom.
"Ne uznemiruju ljude stvari (pragmata) nego nazori o stvarima (dogmata)", rekao je stoički filozof Epiktet prije gotovo 2000 godina. To vrijedi i danas u prirodnim znanostima: slažemo se oko činjenica, svađamo se oko interpretacija tih činjenica. Ili, opažanje je opaženje, tu nema rasprave. Ali objašnjenje opažanja može biti ovakvo ili onakvo. No, koje je pravo? E pa to je sama bit znanosti: kako naći pravo objašnjenje.
Znanstvena hipoteza nije mačji kašalj
Stvar je daleko od jednostavne. Ide otprilike ovako. Kao moguće objašnjenje nekih opažanja znanstvenici postave hipotezu. Na neki način, to je pogađanje rješenja. Ali, ne bilo kakvo pogađanje. Prije će pogoditi onaj tko ima dobro razvijenu intuiciju za fiziku, tko je kreativan i tko razumije opažanja. Osim toga, znanstvena hipoteza mora zadovoljavati neke zahtjeve. Prvo, mora biti relevantna. Ne može reći, primjerice, da se svemir širi zato što je susjedova mačka crna. Potencijalno objašnjenje mora imati veze s opažanjima. Drugo, hipoteza mora biti opovrgljiva. To znači da se mora moći ne samo testirati nego da mora biti moguće pokazati da hipoteza ne stoji. To je najvažniji kriterij. Treće, hipoteza mora biti konzistentna, odnosno usklađena s ostalim hipotezama, pogotovo onima koje su već višestruko potvrđene. Konkretno, ako iznosite pretpostavku da je Zemlja ravna ploča mora vam biti jasno da time ne postavljate samo jednu zanimljivu (i bez sumnje originalnu) hipotezu, nego hipotezu koja je u kontradikciji s gotovo cijelom poznatom fizikom i astronomijom. Pa onda... dvije su mogućnosti: da prihvatite tužnu činjenicu da pričate gluposti ili da hrabro zasučete rukave i razvijete kompletnu novu fiziku i astronomiju. Četvrti kriterij je jednostavnost. Znanstvena hipoteza mora biti jedostavna. Što ne znači da je najjednostavnija hipoteza automatski istinita nego da je u potrazi za istinom uputno krenuti od jednostavnijih hipoteza pa tek onda po potrebi komplicirati. To načelo nazivmo Occamova oštrica. Konačno, kao peti kriterij, znanstvena hipoteza mora biti prediktivna, mora dati predviđanje koje je moguće provjeriti.
Činjenice koje su vodile na hipotezu tamne tvari
Tamna tvar je hipotetska tvar koja čini 85% sve tvari u svemiru. Ili, ako u obzir uzmemo i tvar i energiju (što je, prema teoriji relativnosti, ekvivalentno) onda u ukupnoj bilanci 5% svemira čini obična tvar (od koje su građeni Sunce, Zemlja, ljudi, tratinčice...), 27% tamna tvar i 68% tamna energija. Ovi brojevi rezultat su preciznog mjerenja fluktuacija kozmičkog mikrovalnog pozadinskog zračenja, koje je napravio satelit Planck, i računa na temelju standardnog kozmološkog modela, koji se pak temelji na teoriji velikog praska. Sama hipoteza tamne tvari nije izvučena iz malog prsta. Izvedena je, prema gore opisanim strogim kriterijima, iz nepobitnih opažačkih činjenica.
Neke od tih činjenica su ove: (1) Gibanje galaksija unutar skupova galaksija. Brzina galaksija ukazuje da veći dio mase skupa galaksija nije vidljiv. Prvi je to uočio, 1933. godine, otkačeni genijalac Fritz Zwicky. Nedostajuću masu nazvao je, na njemačkom, "dunkle Materie" (tamna tvar). (2) Gibanje zvijezda unutar galaksija. Konkretno, zvijezde u rubnim dijelovima galaksije gibaju se puno brže od očekivanja koje slijedi iz raspodjele vidljive tvari. (3) Gravitacijske leće su dobro poznati kozmički fenomen skretanja svjetlosti dalekih izvora oko masivnih objekata koji leže na pravcu gledanja. Iznos skretanja pokazuje da postoji velika masa koja nije u obliku vidljive tvari. (4) Fluktuacije kozmičkog mikrovalnog pozadinskog zračenja pokazuju da veći dio mase nedostaje. Točnije, on mora biti prisutan (da bi objasnio fluktuacije), ali nije u obliku obične tvari. Sva se te opažene činjenice mogu objasniti uvođenjem hipoteze čestične tamne tvari, brojnih čestica zasad nepoznate prirode čija ukupna masa višestruko nadmašuje masu obične tvari.
Činjenice koje bolje objašnjava hipoteza modificirane gravitacije
A onda su se, negdje početkom 21. stoljeća, počele gomilati činjenice koje je bolje objašnjavala alternativna teorija, modificirana gravitacija. Recimo, premali broj satelitskih galaksija oko matične galaksije i njihovo poravnanje, Tully–Fisherova relacija koja povezuje masu galaksije i asimptotsku brzinu rotacije, Renzovo pravilo koje povezuje luminoznost pojedinog područja galaksije s udaljenošću tog područja od središta galaksije. Na svim tim činjenicama čestična hipoteza tamne tvari zakazuje.
E sad, nije zabranjeno da dio pojava opisuje jedna teorija (tamna tvar), a dio druga teorija (modificirana gravitacija). Problem je da s time nismo zadovoljni. Postoje dobre indicije da bi sve te gravitacijske pojave trebale biti opisane jedinstvenom teorijom. Ali kojom? Modificirana gravitacija pak zakazuje na onim početnim činjenicama zbog kojih tijekom 20. stoljeća bila postulirana tamna tvar.
Gdje bi mogao biti izlaz
Status prirode tamne tvari zgodno komentira teorijska fizičarka Sabine Hossenfelder u svojem kratkom videu Dark Matter: The Situation has Changed. Ona tvrdi da pitanje: "tamna tvar ili modificirana gravitacija" uopće nije dobro postavljeno, jer nema "ili". Zapravo je i jedno i drugo, tvrdi. Pravo je pitanje kako tamnu tvar, reprezentiranu česticama, povezati s modificiranom gravitacijom, reprezentiranom poljima. Jer, čestice i polja su, gledano kvantnomehanički, ista stvar koja se u različitim situacijama različito manifestira. Nalaženje njihovog jedinstvenog opisa dovelo bi do razumijevanja prirode tamne tvari. Naravno, Sabine Hossenfelder vodu tjera na svoj mlin, rješenje vidi u teoriji kvantne gravitacije, snu mnogih fizičara, posebno onih koji se, skupa s njom, tim područjem profesionalno bave.