Jak asi ví každý, kdo byť jen trochu přičichl k astrofyzice, vesmír má problém s hmotou. Naše pozorování reálného vesmíru jsou totiž jaksi poněkud v rozporu s tím, co říkají výpočty.
Tušíme to už od roku 1933, kdy astronom Fritz Zwicky narazil na nesrovnalosti při analýze zdánlivě banální věci, kterou byla rotace galaxií. Ty se totiž pohybují, jakoby byly těžší, než na pohled jsou, jako kdyby v nich byla nějaká neviditelná hmota. Tato záhadná substance dostala přezdívku temná hmota (dark matter) a podle momentálních představ většiny odborníků představuje zhruba 23 procent našeho vesmíru. Nám důvěrně známá, čili baryonová hmota tvoří jen kolem 4 procent vesmíru a celý jeho zbytek je snad prosáklý dosud velice tajemnou temnou energií.
Dnes už existují dokonce modely rozložení temné hmoty v celém pozorovatelném vesmíru, přesto je ale její povaha skrytá, tak trochu mytologická a nejednomu astrofyzikovi dosud nepřirostla k srdci. Proto si právě teď získal velkou pozornost zajímavý nápad černohorského fyzika ve službách CERNu Dragana Slavkova Hajdukoviče, který se poslední dobou ozývá s pozoruhodně šílenými myšlenkami za hranicemi mainstreamu. Nedávno kupříkladu popsal možnost, že současný vesmír vznikl jako počátek dalšího cyklu vesmírů v gravitačním poli nestvůrně masivní černé díry, co zůstala na konci předešlého vesmíru, kde díky nesmírně intenzivní gravitaci došlo k masivnímu vynoření virtuálních párů částic z kvantového vakua a přeměně antihmoty na hmotu. V jeho konceptu cyklického vesmíru se elegantně střídají vesmíry z hmoty a antihmoty, zřejmě v nekonečně běžící smyčce. Teď zase Hajdukovič navrhl řešení trablů s temnou hmotou, která podle něj vlastně neexistuje.
Hajdukovič zaútočil na klasický prvek představ o temné hmotě, totiž právě na zmíněné pozorování rotace galaxií. Vedle hypotéz o temné hmotě a celé smečky modifikovaných teorií gravitace přišel se třetí možností, podle níž je temná hmota vlastně přelud, pouhá iluze způsobená gravitační polarizací kvantového vakua.
Hajdukovič tvrdí, že gravitace nemá jen jeden, tedy přitažlivý „náboj“, ale že částice a antičástice mají gravitační náboje s opačným znaménkem. Není to zatím samozřejmě vůbec jisté a rozhodně to není mainstreamová fyzika, ale kdyby to tak bylo a částice by se s antičásticemi vzájemně gravitačně odpuzovaly, pak by to mohlo znamenat, že virtuální páry částic s antičásticemi, které po omezenou dobu existují ve kvantovém vakuu, jsou vlastně gravitační dipóly, čili něco jako magnetické dipóly kvantového světa.
Brzy se možná dovíme víc, protože možnosti gravitačního odpuzování mezi hmotou a antihmotou se dotýkají některé experimenty, například AEGIS (Antimatter Experiment: Gravity, Interferometry, Spectroscopy) v CERNu. Hajdukovič vnímá vesmír jako průnik dvou entit – „normální“ hmoty, tedy bez všelijakých temných hmot a energií, která pluje v moři kvantového vakua, tvořeného myriádami různých virtuálních dipólů, včetně těch gravitačních. V blízkosti gravitačního pole masivního seskupení baryonové hmoty, například galaxií nebo hvězd mohou být takové gravitační dipóly pěkně seřazeny, tedy polarizovány, v důsledku čehož podle Hajdukoviče zesilují stávající gravitaci a mohly by tak i zrychlit rotaci galaxií, která nešťastné astrofyziky tolik mate.
Pokud jde o rotaci galaxií, Hajdukovič si libuje, že mu všechny rovnice hezky zapadají do sebe. Temná hmota to ale rozhodně nevzdává bez boje, pěkně totiž vysvětluje i mnoho dalších jevů, jako třeba podivné věci kolem reliktního záření, gravitačních čoček a supernov. Také je jistě na pováženou, jestli je větším přeludem temná hmota nebo gravitace s opačným znaménkem. Ani jedno zatím nikdo nikdy neviděl na vlastní oči. V této otázce se jistě brzy dočkáme převratných novinek, samotný Hajdukovič ji vnímá jako hodně otevřenou a budoucnost prý ukáže, jestli jeho výpočty jsou jenom udivující souhry matematických okolností anebo třeba zárodek nové revoluce ve fyzice.
Prameny:
Astrophysics and Space Science 334: 215-218, Physorg 11.8. 2011, Wikipedia (Dark matter).
Diskuze:
A co virtuální páry na hranici černé díry?
Jan Novák9,2011-08-23 14:39:34
To by znamenalo že v gravitačním poli černé díry by byly páry částice-antičástice od sebe prudce odpuzovány, a to je podle mě recept na bílou, nikoli černou díru :-))
O žádném prudkém odpuzování zde nemůže být řeč
Pavel Brož,2011-08-23 15:04:25
Gravitační interakce mezi párem nabitých částic (tj. mezi částicí a její antičásticí) je o čtyřicet řádů nižší, než je přitažlivá elektrostatická síla mezi nimi. Obrácení znaménka u gravitační interakce z hlediska sil působící jenom mezi těmito dvěma částicemi tak bude neměřitelné.
Trošinku jiná situace je, pokud uvažujeme nejenom to, že by se částice s antičásticí ve vzniklých virtuálních párech odpuzovaly, ale pokud vezmeme v potaz také to, že by se antičástice odpuzovaly od černé díry, která by měla nadále kladnou gravitační hmotnost. Tzn. že pak by se teoreticky dala naměřit disbalance ve spektru hybností emitovaných částic a antičástic, protože emitované antičástice by měly být o něco rychlejší právě v důsledku odpuzování od černé díry.
Bavíme se tady nicméně o efektu, který dost možná stovky let nebude ještě možno pozorovat. Museli bychom být opravdu hodně blízko černé díry a mít k dispozici hodně přesné přístroje, abychom tento akademický příklad převedli na reálný experiment.
Oproti tomu ohyb světla v gravitačním poli a testování principu ekvivalence je něco, co už je dávno experimentálním faktem - v případě principu ekvivalence navíc změřeným s přesností na čtrnáct desetinných míst.
Měli bychom být rádi
Martin Kovář,2011-08-23 12:20:45
Podle mého názoru bychom měli být rádi, že se někdo něco takového vymyslel. Sice je tato hypotéza šílená i na poměry dnešní fyziky a pro odborníky není problém problém najít nedostatky této hypotézy, ale na druhou stranu je to krok za hranice uniformity v dnešní fyzice. A to je podle mě dobře. I když tato hypotéza je asi jen slepou uličkou. Řekl bych, že by bylo dobré, když by bylo více fyziků jako Hajdukovič, kteří by se nebáli vyslovit zajímavé a často i šílené nápady, jdoucí proti mainstreamu. Je dost možné, že právě tento přístup pomůže vyřešit patovou situaci v dnešní fyzice.
Bohužel musím nesouhlasit
Pavel Brož,2011-08-23 12:46:23
Zřejmě se domníváte, že současná teoretická fyzika trpí nedostatkem šílených teorií. Opak je bohužel pravdou. Současná teoretická fyzika trpí hyperinflací šílených teorií, z nichž drtivá většina se nenamáhá s tím, jestli aspoň trochu koresponduje s experimentálním pozorováním. Stačí se rozhlédnout např. na http://arxiv.org , ale i mnohde jinde, a snadno zjistíte, že nedostatek šílených teorií opravdu nehrozí.
Patová situace
Tomáš Brauner,2011-08-23 22:20:49
Odkud přesně jste získal dojem, že současná fyzika je v patové situaci? Ta uniformita sama by byla na dlouhou diskusi. Na jednu stranu je pravda, že většina fyziků (a jistě i vědců v jiných oborech) se "veze" s proudem, což je sociální efekt, který lze těžko úplně vymýtit - a ani to není žádoucí - a který je v současnosti nejspíš posílený tlakem na publikační výstup. Na druhou stranu po dostatečně dlouhé době a dostatečně velkém množství experimentů vědecká veřejnost zpravidla dospěje k závěru, kteráže ze soutěžících teorií je ta správná a té se pak drží. Na téhle uniformitě nevidím nic špatného :-) A v každém případě souhlasím s Pavlem Brožem, že současná fyzika rozhodně nepostrádá lidi, kteří mají odvahu jít proti mainstreamu. Je jen vzácností, když je tato vlastnost skloubená se schopností vytvořit originální hypotézu, která by nebyla okamžitě vyvrácená experimentálními fakty (a kterou by bylo možné testovat pomocí experimentů v současnosti či blízké budoucnosti)...
Ad. Pavel Brož:
Martin Kovář,2011-08-24 20:23:26
Alespoň si na to stěžuje Lee Smolin ve své knize "Fyzika v potížích". Ale v tomto případě může jít o to, jak poznamenal Tomáš Brauner, neexistuje mnoho originálních hypotéz, které by nebyly hned vyvráceny experimentálními fakty.
Ad. Pavel Brož:
Martin Kovář,2011-08-24 20:23:38
Alespoň si na to stěžuje Lee Smolin ve své knize "Fyzika v potížích". Ale v tomto případě může jít o to, jak poznamenal Tomáš Brauner, neexistuje mnoho originálních hypotéz, které by nebyly hned vyvráceny experimentálními fakty.
Ad. Tomáš Brauner
Martin Kovář,2011-08-24 20:57:50
Uznávám, ta "patová situace" je trochu silnější zhodnocení situace ve fyzice. Ale přesto, mám dojem, že ve fyzice vzrůstá napětí a nervozita. Na jedné straně to je přetrvávající neschopnost jakékoli z významných hypotéz (superstruny/M-teorie, smyčková gravitace) pořádně vysvětlit tento svět. A na druhé straně jsou to experimenty na LHC - zmenšování intervalu možných hmotností Higgsovy částice a také alespoň prozatimní nenalezení supersymetrických částic.
PS: Jak dlouhá doba to musí být, když nějaká hypotéza není experimenty ani potvrzena, ani vyvrácena, aby tato hypotéza byla nakonec odmítnuta?
Ono je to trochu složitější
Pavel Brož,2011-08-24 22:15:29
Tu knížku "Fyzika v potížích" od Lee Smolina jsem četl, ono ostatně v poslední době vyšlo i v češtině vícero podobně kritických titulů - např. "Dokonce ani ne špatně" od Petera Woita nebo "Skryté za zrcadlem" od Lawrence Krausse.
Nicméně terčem kritiky Smolina, Woita a Krause není to, že by nebyl dostatek originálních či alternativních teorií a hypotéz, ale to, že strunovým se dostává nesrovnatelně více podpory, než těm nestrunovým. Pokud bychom chtěli mluvit o jakémsi mainstreamu v teoretické částicové fyzice, pak bychom mohli strunové teorie považovat jakožto hodně se překrývající s tímto mainstreamem - nikoliv ale výhradní část tohoto mainstreamu. Mezi mnoha variantami strunových teorií existují samozřejmě ty, které se nenacházejí v záři reflektorů a stejně tak existují nestrunové teorie, které do toho mainstreamu přirozeně patří (např. různé modifikace standardního modelu, mezi kosmologickými teoriemi pak oblíbené scénáře věčné inflace, teorie multiverz, atd.).
Mezi samotnými strunovými teoriemi najdete nepřeberné množství diametrálně odlišných scénářů, jak by svět mohl vypadat. Stejně tak si vyberete mezi množstvím navzájem odlišných inflačních teorií. Pokud jste spíše konzervativnějšího založení a myšlenky deseti či jedenáctirozměrný prostoročas ani myšlenka nekonečného množství kauzálně izolovaných vesmírů Vám není blízká, stále si ještě můžete vybrat z obrovského množství ať už supersymetrických či nesupersymetrických rozšíření standardního modelu obsahujících celé plejády zatím nepozorovaných částic a předpovídajících množství nových interakcí a jevů. Mnohé z těchto teorií přitom jsou skutečně šílené a rozhodně nepostrádající originálitu (např. scénáře, v němž náš vesmír je jen jednou z nekonečně mnoha čtyřbrán ve vícerozměrném vesmíru, či vesmír coby hologram, atd. atd.), přitom ale stále patří do onoho takzvaného mainstreamu. Pojem mainstream pak zde tak nějak ztrácí význam, podobně, jako by byl nepřípadný termín konformní pro popis situace v blázinci, kde chovanci provedli vzpouru.
Mezi veřejností se bohužel stal přespříliš známým bonmot tuším Nielse Bohra, který jednomu svému studentovi údajně řekl, že jeho teorie bohužel není dostatečně šílená, aby byla pravdivá. Šílenost (či originalita) ve skutečnosti k tomu, aby teorie dobře popisovala vesmír, sama o sobě opravdu nestačí. Pro každou teorii je samozřejmě nezbytné to, nakolik se dokáže vyrovnat s experimentálními fakty. A bohužel se ukazuje, že ani tento požadavek nás nezbaví hyperinflace teorií, které i těmto sítem projdou - protože teorie je dnes natolik napřed před experimentem, že každý nový, nákladně získaný experimentální fakt, dokáže pouze nepatrně zredukovat množství teorií, přičemž ty se ale dokážou do získání dalšího nákladného experimentálního výsledku opět úspěšně rozmnožit. Tenhleten stav opravdu není stavem, v němž by se teoriím nedostávalo imaginace - je to naopak stav, v němž imaginace, poháněná efektivními matematickými nástroji, efektivními informačními technologiemi, event. výpočetní silou počítačů a účinnými algoritmy, získala obrovský náskok před možnostmi experimentálního ověřování.
Odtud plyne i odpověď na Vaši otázku, jak dlouhá doba musí uplynout, než je odmítnuta hypotéza, která není po celou tu dobu ani experimentálně potvrzena ani vyvrácena: je to doba, než je vymyšlena hypotéza jiná, originálnější, estetičtější či vnitřně konzistentnější. Važme si proto každého experimentálního výsledku, který pomáhá tu teoretickou záplavu redukovat, a nepovažujme přísný požadavek na souhlas s experimentálními daty za nějaké zbytečné lpění na detailech.
Re: Ono to je trochu složitěšjí
Martin Kovář,2011-08-25 10:50:21
Já jsem Smolinovu knihu taky četl a dokonce několikrát. ;-) Kromě kritiky toho, že se superstrunám/M-teorii dostává mnohem větší pozornosti, než jiným přístupům, se Smolin zamýšlel nad již zde zmíněnou sociologií. Mimo jiné třeba nad tím, že studenti a postdoci jsou tlačeni do toho, aby se věnovali práci nad teoriema starších profesorů a ne nad tím, co by chtěli skutečně dělat a nebo dokonce nad vlastníma originálníma myšlenkama. Určitě to v té knize jde najít.
Co se týče toho souhlasu hypotéz a teorií s experimentálními výsledky, tak to bych asi dvakrát podtrhl. A myslím si, že v ideálním případě by měl sám autor nějaké teorie zhodnotit, jak si jeho teorie v tomto směru vede. Což více méně znamená, že jestli tohleto Hajdukovič neudělal, tak je to taky trochu špatně.
Pavel Brož,2011-08-25 12:48:04
Nepřu se o to, že studenti a postdoci nejsou tlačeni do toho, aby se věnovali raději teoriím svých profesorů než vlastní originální práci. Tak tomu je, a nejenom v teoretické fyzice, ale asi ve většině vědních oborů. Těch faktorů je samozřejmě více, není to jenom nátlak profesorů, ale také to, že sami ti studenti velmi dobře vědí, že následovat svého profesora zdaleka nenese takové riziko neúspěchu, jako vydat se neprobádanými cestami.
Nicméně přesto všechno je těch teorií mnohem více, než dokáže experiment redukovat. V závěru té Smolinovy knihy si on sám pochvaluje, na jak neotřelých a originálních teoriích pracují (nejen) jeho studenti.
Albert Einstein strávil nemálo let na konci svého života pracemi na unitární teorii. Dnes panuje mezi teoretickými částicovými fyziky názorová shoda o tom, že to byl promarněný čas, protože se snažil vytvořit sjednocenou teorii od stolu, bez nezbytných experimentálních dat. Ne, že by snad v té době žádná využitelná experimentální data k dispozici nebyla - v té době už existovalo hodně dat z částicových experimentů, nicméně Albert Einstein je nepovažoval za potřebná pro svou práci, on chtěl prostě jen sjednotit elektromagnetismus a gravitaci, a výsledky částicových experimentů z toho pohledu vypadaly jako něco nepotřebného. Ovšem také je pravda, že za Einsteinova života mnohé převratné experimentální výsledky prostě ještě nebyly k dispozici (objev nových druhů kvarků, leptonů, narušení parity, elektroslabé neutrální proudy, atd.).
V dnešní době je teorie mnohem, mnohem dále. Byla úspěšně sjednocena elektromagnetická a slabá interakce (mimochodem, s využitím i experimentálních dat známých už během Einsteinových prací na unitárních teoriích). Existuje mnoho více či méně důvěryhodných variant na sjednocení elektroslabé a silné interakce. Dále zde máme rozmanitá supersymetrická rozšíření těchto teorií. Strunové teorie (ale třeba i smyčková gravitace) pak jdou ještě dále, když se pokoušejí zahrnout do kvantového popisu světa i gravitaci.
Bohužel zde máme podobnou situaci, jako byla za Einsteinova života. Sjednocující teorie, počínaje těmi sjednocujícími jenom elektroslabé a silné interakce, o těch supersymetrických, strunových atd. už ani nemluvě, potřebují pro svou verifikaci data, jejichž získání v drtivé většině případů leží daleko za dnešními experimentálními možnostmi. Vyjímečně se poštěstí z nějaké z těchto teorií vydolovat předpověď, která by byla experimentálně ověřitelná v dohledné době (mezi tyto výjimky patří např. rozpad protonu či objev Higgsovy částice), nicméně i v případě nepozorování příslušného jevu je zde většinou stále ještě dostatečný prostor pro takovou úpravu parametrů teorií, která absenci pozorovaného jevu zdůvodní.
Einstein v závěru svého života vypracoval postupně vícero verzí unitárních teorií. V dnešní době se vymýšlením různých sjednocujících teorií věnuje nesrovnatelně více dostatečně chytrých hlav, než za Einsteinovy doby. K dispozici je také nesrovnatelně více variant sjednocujících teorií. Všechny tyto teorie přitom úspěšně popisují i jevy, které Einstein do svých prací nezahrnoval, ať už z důvodu, že v té době nebyly známy, anebo že jim nepřikládal patřičnou důležitost. Základní problém, který se ale vinul kolem všech Einsteinových unitárních teorií, je dnes úplně stejný, spíše mnohem palčivější - teorie jsou příliš vzdálené od experimentu, než aby bylo možno na jeho základě mezi nimi vyselektovat tu jedinou správnou unitární teorii. Osobně bych se nedivil tomu, kdyby za padesát či sto let existoval podobný náhled na dnešní dění v teoretické částicové fyzice, jaký dnes máme na pozdní Einsteinovy práce.
Ta hypotéza má více problémů
Pavel Brož,2011-08-23 11:29:52
Kromě toho, že modifikované gravitace mají problém se srážkami kup galaxií, jak už zmínil Vladimír, tak konkrétně hypotéza o antigravitaci antihmoty má problémy s vysvětlením výsledků experimentů, které s přesností na čtrnáct či více platných míst testují princip ekvivalence. Podle tohoto principu veškerá hmota padá, bez ohledu na složení, tj. i na to, jestli jde o hmotu či antihmotu, se stejným gravitačním zrychlením. Princip byl testován pro řadu velice různorodých materiálů, které se liší mj. poměrem hmot, které mají různý původ - leptonů a kvarků, a minimálně už z tohoto důvodu obsahují různé procentuální zastoupení antihmoty. Hmota každého kvarku je z větší části tvořená tzv. mořskými kvarky a gluony, jedna polovina z nich je hmota a druhá antihmota. I kdybychom předpokládali, že všechna atomová jádra mají identický výsledný poměr hmoty a antihmoty, z nichž jsou složená, tak zde dostaneme kolizi s leptony, které jsou bezstrukturní.
Dalším protiargumentem může být ohyb světla - fotony jsou svoje vlastní antičástice, takže jak to, že se pozoruje jejich ohyb, např. v gravitačních čočkách?
Samozřejmě, že v teorii se dá vymyslet úplně všechno. Dají se např. přidat do teorie další částice, které se budou gravitačně odpuzovat od těch původních. Problém je vymyslet model, který zároveň nevytvoří spor s některým z těch ostatních pozorování.
Ale jak se Galaxie brání gravitačnímu zhroucení?
Pavel Dudr,2011-08-22 23:32:44
Stále marně hledám odpověď a zde jsem ji také nenašel, jak se Galexie brání gravitačnímu zhroucení, když ve vzdálenost 3-8 kpc od středu rotuje menší rychlostí než je rovnovážná mezi gravitační a odstředivou silou. Viz http://goo.gl/R5J7n
Pavel Brož,2011-08-23 14:11:03
Ten problém mě zaujal, a musím přiznat, že jsem na internetu žádné kloudné vysvětlení aplikovatelné právě na spirální galaxie nenašel. Našel jsem pouze vysvětlení aplikovatelná na tlusté akreční disky u aktivních jader galaxií a na protostelární disky. Tím neříkám, že vysvětlení pro spirální galaxie nejsou (narazil jsem např. na letmou zmínku, že by to mohlo být způsobeno hvězdnými klastry), pouze říkám, že jsem je sám nenašel.
Nicméně Vaše vysvětlení pomocí rotace časoprostoru, které propagujete na svém blogu, asi tím pravým ořechovým řešením nebude - asi už Vám řekli, že z obecné teorie relativity Vámi popisovaný efekt získat nelze a že Lens-Thieringův jev je o mnoho řádů menší, než byste potřeboval pro svou teorii.
Základní problém této hypotézy
Vladimír Wagner,2011-08-21 23:24:02
Základní problém této hypotézy a různých hypotéz, které modifikují teorie gravitace je, že nedokáží vysvětlit jevy při srážkách kup galaxií a evoluci galaxií. Více viz http://www.osel.cz/index.php?clanek=5789
Vyvolal velkou pozornost?
Tomáš Brauner,2011-08-21 12:26:51
Chtěl bych jen uvést na pravou míru onu "velkou pozornost", kterou pan Hajdukovič vyvolal, neboť v odborné literatuře (soudě podle databáze fyziky vysokých energií SPIRES) jeho práce nikoho nezajímá (má k nalezení celkem 24 článků a na ně všehovšudy pět citací). Ale bohužel se podobného výplodu snadno chytnou média, protože zní romanticky, když osamělý "lovec" pohybující se mimo mainstream zpochybňuje zažitá "dogmata" zkostnatělých vědců. Proč samotná myšlenka, že antihmota nese záporný "gravitační náboj", nemůže fungovat, vysvětlil velice dobře a podrobně Luboš Motl zde:
http://motls.blogspot.com/2010/09/can-antimatters-gravity-be-repulsive.html
Antihomota a antigravitace?
Martin Jahoda,2011-08-20 17:45:05
No ja sem jen lajk, ale nechapu jak se prislo na to ze by anticastice mela mit opacne znamenko gravitace. Jestlize ve vakuu vznikaji castice a anticastice a lze predpokladat, ze cim mene hmoty a tedy cistci vakuum tim jich je vic, dalo by se usuzovat, ze se chovaji z hlediska gravitace stejne. Je to za predpokladu, ze cim vic zareni projde "cistym" vakuuem tim vic virtualnich castic vznikne (vakuum je vic "rozbourene") a tim se vic projevi gravitace tohoto prazdneho prostoru a to my pak vnimame jako temnou hmotu.
Diskuze je otevřená pouze 7dní od zvěřejnění příspěvku nebo na povolení redakce
