Podle Wikipedie The Conversation je síť neziskových médií, které online publikují zprávy a články z výzkumů s doprovodnými odbornými názory a analýzami. Mělo by jít o vysvětlující žurnalistiku a kromě "výjimečných okolností" autory jsou pouze "akademičtí pracovníci zaměstnaní akreditovanými institucemi nebo jinak formálně spojení s akreditovanými institucemi, včetně univerzit a akreditovaných výzkumných subjektů". Na stránkách The Conversation se před několika dny objevil článek mladého vědce, postdoktoranda Indranila Banika, který v profilu uvádí: „Pracuji na testování, zda při nízkých zrychleních je gravitace modifikována a zda taková modifikace může odstranit potřebu existence neviditelných hal temné hmoty kolem galaxií“. Ve zmíněném článku Banik přibližuje studii, kterou se svým kolegou ze skotské Univerzity v St Andrews, Hongshengem Zhaoem, zveřejnil v časopisu Symmetry. Odborná práce porovnává možnosti standardního kosmologického modelu (ΛCDM), jenž počítá s temnou hmotou a „alternativní“ teorie tzv. modifikované newtonovské dynamiky (nebo také Milgremovy dynamiky) – zkratka MOND – poskytnout realistické předpovědi pro rychlost rotace galaxií a skupin galaxií na základě rozložení viditelné hmoty.

 

Problémem je, že MOND znepokojující nutnost existence temné hmoty nahrazuje minimálně stejně problematickou změnou gravitačního působení v prostředí s extrémně malým zrychlením, kde by gravitační síla nebyla inverzně závislá od čtverce vzdálenosti k těžišti galaxie, ale závislost by byla pouze inverzně lineární. Jinými slovy, Newtonův gravitační zákon v podobě, jak ho známe, není podle MOND univerzálně platný. Mnohým laikům – a asi nejen jim – to přijde jako příklad pseudovědy, nicméně si musíme uvědomit, že by to nebyla první pevně zakořeněná klasická fyzikálně představa, která v extrémnějších podmínkách, s nimiž se běžně v životě nesetkáváme, neplatí. Že s neznámou, jen gravitačně působící tmavou hmotou, jejichž existenci si vyžadují například vysoké rychlosti těles ve vnějších oblastech galaxií nebo celých galaxií na okraji galaktických kup, jsme konfrontováni po mnohá desetiletí a první podezření se zrodila dávno před tím, než švýcarský astronom Fritz Zwicky v roce 1933 použil pojem „dunkle Materie“. Přesto doposud nám odpověď na základní otázku „co to je?“, uniká. A že standardní ΛCDM model také naráží na jisté limity, nesrovnalosti a paradoxy. Některé zmiňuje i Indranil Banik v článku, který přebíráme jen s mírnými stylistickými úpravami a několika vysvětlujícími poznámkami v závorkách:

 

Temná hmota: naše recenze naznačuje, že je čas se jí zbavit ve prospěch nové teorie gravitace

Pohyby planet ve Sluneční soustavě můžeme modelovat poměrně přesně pomocí Newtonových fyzikálních zákonů. Ale na počátku roku 1970 si vědci všimli, že to nefunguje pro diskové galaxie (patří mezi ně i spirální galaxie s příčkou nebo bez ní). Hvězdy na jejich vnějších okrajích, daleko od gravitační síly hmoty v jejich středu, se pohybují mnohem rychleji, než předpovídá Newtonova teorie.

 

To fyziky přivedlo ke koncepci neviditelné matérie, kterou nazvali "temná hmota" a která poskytuje potřebnou gravitační přitažlivost navíc, umožňující pozorované rychlosti hvězd. Teorie vycházející z existence temné hmoty získala na široké popularitě. Nicméně v nedávném přehledu s mými kolegy argumentujeme, že pozorování v široké škále měřítek mnohem lépe vysvětluje alternativní teorie gravitace navržená v roce 1982 izraelským fyzikem Mordehaiem Milgromem. Tato fyzikální představa, nazvaná Milgromian dynamics neboli MOND (také „MOdified Newtonian Dynamics“) nevyžaduje žádnou neviditelnou hmotu.

 

Hlavním postulátem MONDu je, že když je gravitace velmi slabá, jak je tomu na okrajích galaxií, nechová se podle newtonovské fyziky. Umožňuje pouze na základě viditelné (detekovatelné v nějakém spektru elmag. záření) hmoty vysvětlit, proč hvězdy, planety a plyn na okraji více než 150 galaxií obíhají rychleji, než se očekávalo. Ale MOND takové oběžné křivky nejen vysvětluje, v mnoha případech je i předpovídá.

 

Filozofové vědy tvrdí, že tato schopnost předpovědi činí teorii MOND nadřazenou standardnímu kosmologickému modelu, podle kterého je ve vesmíru více temné než viditelné hmoty. Její množství v konkrétní galaxii závisí od podmínek, jak vznikala – což ne vždy víme. To pak znemožňuje předpovědět, jak rychle by se galaxie měly otáčet. Takové předpovědi jsou však běžně pomocí MONDu vytvářeny a zatím se také potvrdily.

 

Představte si, že známe rozložení viditelné hmoty v galaxii, ale ještě neznáme rychlost její rotace. Ve standardním kosmologickém modelu by bylo možné pouze s určitou jistotou říci, že rychlost otáčení na okraji galaxie bude kolísat mezi 100 km/s a 300 km/s. MOND však nabídne přesnější předpověď – rychlost otáčení v rozmezí 180 - 190 km / s.

 

Pokud pak pozorování upřesní rychlost rotace na hodnotu 188 km/s, pak je to v souladu s oběma teoriemi. Je ale jasné, že MOND se strefil mnohem lépe. Jedná se o moderní verzi Occamovy břitvy – že jednodušší řešení je vhodnější než složitější. Co se rychlosti hvězd v galaxiích týče, naměřené hodnoty bychom měli vysvětlit s co nejmenším počtem "volných parametrů". Volné parametry jsou konstanty – určitá čísla, která musíme zapojit do rovnic, aby tyto fungovaly. Nejsou však dány samotnou teorií – není důvod, proč by měly mít nějakou zvláštní hodnotu – takže je musíme změřit pomocí pozorování. Příkladem je gravitační konstanta G v Newtonově gravitační teorii nebo množství temné hmoty v galaxiích v rámci standardního kosmologického modelu.

 

Zavedli jsme pojem známý jako "teoretická flexibilita", abychom zachytili základní myšlenku Occamovy břitvy, že teorie s více volnými parametry je konzistentní s širším rozsahem dat – což ji činí složitější. V našem přehledu jsme tento koncept použili při testování standardního kosmologického modelu a MOND na základě různých astronomických pozorování, jako je rotace galaxií a pohyby v kupách galaxií.

 

Pokaždé jsme přidělili skóre teoretické flexibility v rozmezí -2 až +2. Výsledek -2 znamená, že model poskytuje jasnou a přesnou předpověď bez nahlížení do dat. Naopak +2 znamená "cokoli je možné", kdy teoretici by byli schopni napasovat téměř jakýkoli věrohodný výsledek pozorování (protože existuje mnoho volných parametrů). Hodnotili jsme také, jak dobře jednotlivé modely odpovídají pozorováním, přičemž +2 znamená vynikající shodu a -2 je vyhrazeno pro pozorování, která jasně ukazují, že teorie je chybná. Od skóre shody s pozorováním jsme pak odečetli skóre teoretické flexibility, protože shoda s daty je dobrá, ale schopnost přizpůsobit se čemukoli je špatná.

 

Dobrá teorie by měla poskytovat jasné předpovědi, které se později potvrdí. V ideálním případě by měla získat kombinované skóre +4 v mnoha různých testech (+2 -(-2) = +4). Špatná teorie by získala skóre mezi 0 a -4 (-2 -(+2)= -4). Přesné předpovědi by v jejím případě selhaly – je nepravděpodobné, že by fungovaly se špatnou fyzikou.

V 32 testech standardní kosmologický model dosáhl průměrné skóre –0,25, zatímco MOND ve 29 testech dosáhl průměru +1,69.

Skóre pro každou teorii v mnoha různých testech jsou znázorněna na obrázcích 1 a 2 níže pro standardní kosmologický model a Mond.

 

Srovnání standardního kosmologického modelu s pozorováními podle toho, jak dobře data odpovídají teorii (zlepšuje se odspodu nahoru) a jak flexibilní je jeho přizpůsobení (stoupá zleva doprava). Prázdný kroužek není v našem hodnocení započítán, protože tato data byla použita k nastavení volných parametrů. Reprodukováno z tabulky 3 originálního článku (zde).

 

 

Podobně jako v předcházející tabulce, ale pro MOND, ale s hypotetickými částicemi, které interagují pouze prostřednictvím gravitace, tzv. sterilními neutriny. Všimněte si, že chybí zjevné falzifikace. Reprodukováno z tabulky 4 našeho přehledu (zde).

 

 

Je okamžitě patrné, že u MOND nebyly zjištěny žádné závažné problémy, což přinejmenším věrohodně souhlasí se všemi údaji (všimněte si, že spodní dva řádky označující falzifikace jsou na obrázku 2 prázdné).

 

Problémy s temnou hmotou

Jeden z nejpozoruhodnějších selhání standardního kosmologického modelu se týká "galaktických příček“ – lineárních jasných oblastí tvořených hvězdami, které spirální galaxie často mají ve svých centrálních oblastech (jako i naše Mléčná dráha). Příčky se v průběhu času otáčejí. Pokud by galaxie byly zasazeny do masivních hal temné hmoty, jejich příčky by se zpomalily. Většina, ne-li všechny pozorované příčky galaxií jsou však rychlé. To s velmi vysokou spolehlivostí standardní kosmologický model falzifikuje.

 

Dalším problémem je, že původní modely, které počítaly s halo temné hmoty v galaxiích, byly zatíženy velkou chybu – předpokládaly, že částice temné hmoty sice gravitačně ovlivňují okolní viditelnou hmotu, ale samy nebyly gravitační silou této normální hmoty ovlivněny. To sice zjednodušilo výpočty, ale neodráží realitu. Když se to pak v následných simulacích vzalo v úvahu, bylo zřejmé, že hala temné hmoty kolem galaxií nevysvětlují spolehlivě jejich vlastnosti.

 

Existuje mnoho dalších selhání standardního kosmologického modelu, které jsme v našem přehledu zkoumali, přičemž pomocí MOND bylo možné pozorování často přirozeně vysvětlit. Důvodem, proč je standardní kosmologický model přesto tak populární, mohou být chyby ve výpočtech nebo omezené znalosti o jeho selháních, z nichž některá byla objevena poměrně nedávno. Může to být také způsobeno neochotou lidí upravovat gravitační teorii, která byla tak úspěšná v mnoha jiných oblastech fyziky.

 

Obrovský náskok teorie MOND před standardním kosmologickým modelem v naší studii nás vedl k závěru, že dostupná pozorování výrazně upřednostňují teorii MOND. Sice netvrdíme, že MOND je dokonalá, přesto si myslíme, že je z celkového pohledu správná – že galaxie skutečně postrádají temnou hmotu.

 

Doporučená literatura: Mordehai Milgrom: MOND vs. temná hmota ve světle historických paralel

(Izraelský fyzik a emeritní profesor na katedře částicové fyziky a astrofyziky na Weizmannově institutu v Rechovotu v Izraeli, Mordehai Milgrom (1946) je autorem teorie MOND)

 

Literatura: The Concversation, Symmetry