Pole olemas ainet, mis oleks tumeainest rohkem levinud ja arusaamatu. Kas füüsika suudab sellest tohutust lahendamata probleemist aru saada?
Istun Washingtoni ülikoolis oma laua taga ja üritan energiat kokku hoida. Ma ei kaota seda, aga minu arvutimudelid. Kuigi kolleegid võiksid minu kohta sama öelda. Kui ütlen inimestele, et töötan tumeaine spekulatiivsete teooriate kallal, hakkavad nad mind kahtlevalt vaatama. Ma ei usu, et keegi ülikoolis seda kõike usub.
Oma ettekannetes keskendun sellele, kui palju kosmoloogilisi probleeme saaks lahendada. Occami habemenuga on minu jaoks omamoodi imerohi: ainult ühe kinnitusega saab nii mõndagi selgitada (Occami habemenuga on metoodiline põhimõte, mille kohaselt „te ei tohiks uusi üksusi ligi meelitada, kui see pole hädavajalik.” Selles kontekstis olevad üksused on faktid, tegurid, terminid, mis selgitavad, mida või nähtus. - umbes uus mida). Ma räägin asjadest, mida ei saa seletada üldtunnustatud ideedega tumeaine kohta. Linnuteel on ilmselt liiga vähe satelliitgalaktikaid. Väikeste galaktikate sisemine olek on ebastabiilne. Siin tuleb mulle Occami habemenuga taas appi ja ma väidan, et need vastuolud saab lahendada, määrates nõrga enesetegevuse tavalisele tumeainele,teatud osakeste nõrga vastastikmõju muster. Keegi võib küsida, kas ma ise sellesse kõigesse usun. Raske öelda.
Maailm sellisena, nagu me seda näeme, on illusioon, ehkki üsna tugev. Järk-järgult oleme harjunud pidama kvantvälja teooriat, milles on veel palju ebatäpsusi, tõelise maailmaideena; me ei näe alati, mis tegelikult toimub. Tumedat ainet võib pidada sellele kontseptsioonile kaalukaks täienduseks. Suurem osa universumis olevast ainest näib olevat meie eest varjatud. See tekitab füüsikute ja laiema avalikkuse jaoks segadust. Füüsikud on mures, et tumeaine kohta pole lõplikku, ümberlükkamatut määratlust. Kõigil teistel on raske midagi nii ebamäärast ja tabamatut mõista. Kõik see sarnaneb kurjakuulutavalt sellega, kuidas teadlased vaidlustasid eetri olemasolu enam kui sada aastat tagasi.
1800. aastate lõpus püüdsid teadlased mõista, kuidas elektromagnetlained (nagu valgus) võivad vaakumis liikuda. Lainet kujutades mõtleme veele ja siis näib ilmne, et peab olema mingi kandja, vee analoog, milles elektromagnetlained lainetavad. Nii ilmus idee "eetrist" - tabamatust meediumist, mis läbib ruumi.
Ameerika teadlased Albert Michelson ja Edward Morley tegid 1887. aastal oma kuulsa eksperimendi eetri olemasolu tõestamiseks või ümberlükkamiseks. Kui valgus levib ainult tänu eetrile, arutlesid nad, siis Maa liigub selle aine kaudu. Selle testimiseks ehitasid nad leidliku seadme: tugeva optilise plaadi, mis asetati vedeliku elavhõbeda paaki, et vältida vibratsiooni ja lasta plaadil suvalises suunas pöörelda. Tuli võrrelda erinevates suundades, seadme pöörlemisel või Maa ümber Päikese liikuvate valguslainete pikkusi. Kuna meie planeet liigub orbiidil "eetri tuule" vastu, peaks see kajastuma valguslainetes, vähendama nende pikkust. Kuue kuu pärast peaks takistus muutuma (see suunatakse vastupidises suunas),ja valgusvihud kasvavad jälle pikemaks. Kuid paljude üllatuseks jäid valguse lainepikkused suvalises suunas samaks. Väidetava peremehe olemasolu kohta ei öeldud midagi. Eeter osutus veaks.
Kuid mitte kõik füüsikud pole eetrist loobunud. Sellest räägiti pikka aega, vähemalt seni, kuni elasid mõned eetri olemasolu toetajad. Morley ise ei uskunud oma katse tulemusi. Ainult tagasiulatuv pilk aitas veenduda, et Michelson-Morley eksperiment tõendab eetri puudumist ja nagu hiljem selgus, kinnitab Albert Einsteini radikaalsemat relatiivsusteooriat.
Tume aine, tume energia, must raha, mustad turud, must biomass, tume genoom: teadlased "varjavad" kõiki olulisi nähtusi, mis trotsivad mõistmist ja on kuidagi varjatud otsese taju eest. Teisisõnu, see pimedus on metafooriline. Kuid algul võeti seda sõna otseses mõttes. 1930. aastatel jälgis Šveitsi astronoom Fritz Zwicky gravitatsiooniliselt üksteisega seotud galaktikaparve, mis liikus oma orbiidil liiga kiiresti. Ainult tohutu hulga nähtamatu aine olemasolu võib seletada, miks galaktikad ikkagi kokku jäävad. Zwicky pakkus, et seal on "tume" aine - ta mõtles lihtsalt, et ta ei näe seda. Kuid ka pärast teda leidsid astronoomid kosmoses nähtamatu aine tõendeid. Näiteks galaktikates endis pöörlevad tähed liiga kiiresti. Paistab nagu,tume aine on universumi kõige levinum aine.
Reklaamvideo:
See on ka kõige raskemini tabatav aine. See ei suhtle iseenda ega teiste ainetega, mis moodustavad tähed, planeedid ega teie ja minu. Ainus tõend on gravitatsiooniefekt ja gravitatsioon on paraku kõige nõrgem fundamentaalse suhtluse tüüp. Kuid gravitatsioon on ka ainus universaalne jõud ja seetõttu valitseb universumis tume aine.
Viimase 50 aasta jooksul oleme suutnud koostada standardse kosmoloogilise mudeli, mis kirjeldab väga veenvalt universumi nähtavat osa. Alguses põhjustas Suur Pauk ruumi kiiret laienemist, aine tihedus muutus ebaühtlaseks. Järgmise 13,7 miljardi aasta jooksul ilmnesid need ebakorrapärasused veelgi tänu vääramatule raskusjõule, moodustades arvatavasti tumeaine "kosmosepõranda", mille gravitatsiooniväli hoiab meile nähtavaid heledaid galaktikaid.
Sellel standardsel kosmoloogilisel mudelil on palju faktilisi kinnitusi, sealhulgas universumi leviv gammaväli, galaktikate levik ruumis ja nende klastrid. Need põhilised vaatlused ühendavad teaduslikud teadmised ja sõltumatud uuringud paljudes astronoomia valdkondades. Kõik see on heas kooskõlas kosmoloogilise mudeliga, mis eeldab tumeaine olemasolu. Astrofüüsikud, kes selle mudeli põhimõtteid tõsiselt ei võta, jäävad vähemusse. Asi pole selles, et see teooria näib kõigile eriti hea, lihtsalt pole nii järjepidevat ja edukat alternatiivi. Ükski teooria ei suuda seletada, mis on tumeaine. See on tõepoolest üks suurimaid füüsikas lahendamata probleeme.
Seetõttu otsingud jätkuvad. Osakeste kiirendid töötlevad andmeid, paljud andurid on peidetud maa alla ja teleskoobid on suunatud taeva poole. Tänapäevane katsete ajastu nihutab juba usutavate teooriate ranget raamistikku. Parimal juhul suudame tumeainet mõista kahekümne aasta pärast. Halvimal juhul ei saa me sellest kunagi aru.
Me elame uute avastuste ajal. Hästi tõestatud teooria selgitab elementaarosakeste mitmekesisust, mida võime jälgida. Sama teooria viitab sellele, et on ka teisi seni tuvastamata osakesi. Mitu aastakümmet tagasi mõistsid teoreetikud, et võib esineda nn nõrgalt interakteeruvaid massilisi osakesi (MWP). Sellistel osakestel võivad olla kõik tumeaine omadused, nii et see võib olla otse meie nina all. Kui tumeaine koosneks mikrolainesagedustest, suhtleks see tavalise ainega nii nõrgalt, et seda saaks tuvastada alles tumeaine uurimise spetsiaalsete katsete seeria tulemusena, mis sai võimalikuks üsna hiljuti. Neist kõige lootustandvam on Lõuna-Dakota suur maa-alune ksenoonkatse (LUX), maailma suurim tumeaine detektor. See ehitati 2013. aasta veebruaris kullakaevanduse kohale ja on võimeline tuvastama kõige raskemini tabatavaid elementaarosakesi. Vaatamata LUXi ülitundlikkusele võtab tumeaine leidmine kannatlikkust. Siiani on kõik LUXi lõksu langenud kosmilise müra pursked, millel pole mingit tähtsust.
Tavapäraste paradigmade varasem edu teoreetilises füüsikas on viinud meid jahtima üht ühist tumeaine osakest - kõige tumedamat ainet. Võib-olla pole meil aga piisavalt alust eeldada, et üldse midagi leida võib.
Nagu inglise füüsik John D. Barrow 1994. aastal ütles: "Pole põhjust arvata, et universum oleks pidanud olema kujundatud meie mugavuse huvides."
Seda hoiatust silmas pidades näivad võimalused olevat järgmised. Tume aine on kas olemas või pole. Kui see on olemas, siis võime selle kas leida või mitte. Kui seda pole, võime kas tõestada, et seda pole, või ei saa. Vaatlused, mis panevad astronoomid väitma, et tume aine eksisteerib, tunduvad esialgu liiga tugevad ja veenvad, nii et kõige tavalisem argument tumeaine olemasolu vastu on see, et meie raskusjõu mõistmisel on midagi valesti - et see ei pruugi tingimata viia käituda täpselt nii, nagu Einstein ennustas. See pööraks meie arusaama füüsikast pea peale, nii et vähesed inimesed tahavad sellest aru saada. Teisest küljest, kui tumeaine on olemas, kuid me ei suuda seda tuvastada, satume äärmiselt ebamugavasse olukorda.
Kuid me elame kosmoloogia kuldajal. Viimase kahe aastakümne jooksul oleme avastanud nii mõndagi: mõõdetud muutused Suure Paugu reliktkiirguses, õppinud, et Universumi paisumine kiirenes, heitsid kiire pilgu mustadele aukudele ja suutsime tabada Universumi eredamaid plahvatusi. Järgnevatel aastakümnetel saame suure tõenäosusega vaadata universumi esimesi tähti, kaardistada tumeaine peaaegu täieliku leviku ja kuulda mustade aukude katastroofilist ühinemist gravitatsioonilainete kaudu. Isegi kõigi nende "rikkuste" seas pakub tumeaine ainulaadset perspektiivi, olles uute tähelepanekute, teooria, tehnoloogia ja (loodetavasti) uue rahastamise ühendamisel.
Kõik pakutavad viisid tumeaine olemuse mõistmiseks võib jagada kolme kategooriasse: kunstlik rekonstrueerimine (osakeste kiirendis), kaudne ja otsene tuvastamine. Viimane meetod, mille abil teadlased püüavad WIMP-sid loodusest kinni püüda, on eriti meeldiv ja inspireeriv. LUX maa-alune detektor on üks ülitundlike eksperimentide uue põlvkonna esimesi. See seisneb WIMP-de interaktsiooni jälgimises tavaliste aatomite tuumadega. Enamasti koosneb see katse väga puhastest sihtdetektoritest nagu neitsi-elementaarne germaanium või ksenoon, jahutatud äärmiselt madalale temperatuurile ja kaitstud väliste osakeste eest. Probleem on selles, et hulkuvad osakesed pääsevad ikkagi läbi. Selliseid rikkumisi jälgitakse tähelepanelikult. Müra, varjestuse ja täpsuse vähendamine statistilistes mõõtmistes on ainsad viisid tumeaine osakeste tegelike vastasmõjude eraldamiseks valehäiretest.
Teoreetikud on kaalunud paljusid võimalusi, kuidas osake saaks wimpiga suhelda. Tegelikult on esimese põlvkonna katsed juba välistanud nn osakeste hajutamise võimaluse z-bosooniga suhtlemise tõttu. Alles on jäänud Higgsi bosoni kokkupõrkest eraldunud osakesed, mis hõlmavad sama osakest, mis avastati mullu novembris Genfi suurte hadronite kokkupõrkes. See tähendab väga vähest suhtlemist, kuid oleks ideaalne järgmise põlvkonna katsete praeguse tundlikkuse jaoks.
Jällegi, teadus ütleb vähem selle kohta, mis on, kui selle kohta, mis pole, ja mitte-avastused on loonud piisavalt huvitavaid piiranguid sellele, mis võib olla tume aine. Ka arengujärgus, mis sarnaneb eetriga oma vastuolude tõttu, pigistasid nad silma mõne anomaalia ees, mille olemus tuleb selgeks teha. Kasutades teist detektorit, näiteks LUX, väidab Itaalia eksperiment DAMA (lühidalt "DArk MAtter"), et leidis tumeaine signaali modulatsiooni üle aasta. Kriitikud vaidlevad selle üle, kas neil üldse signaali oli. Nagu eetri puhul, eeldasime ka seda, et Maa pöörleb ümber Päikese, mõnikord suurema galaktilise pöörlemise suunas, mõnikord selle vastu. DAMA töötajad mõõtsid seda iga-aastast modulatsiooni. Muud konkureerivad projektid (nt XENON, CDMS,Edelweiss ja ZEPLIN) seda ei suutnud, kuid neid katseid ei saa otseselt korreleerida, mistõttu tuleks hukkamõistmine edasi lükata.
Loodus võib olla julm. Füüsikud võivad võtta „tuvastamatust“vihjena, et on aeg loobuda, kuid alati on ahvatlev võimalus, et vajame lihtsalt paremat katset. Või ehk osutub tumeaine sama keeruliseks kui tavaline aine. Varasemad katsed on paljastanud üsna ranged piirangud sellele, kui palju keerukust võime oodata - pole mingit väljavaadet inimeste avastamiseks tumeainest või isegi tumeaine keemiast, uskuge mind -, kuid see võib meile siiski ilmuda mitmes näol. Leiame mõne osakese, mis suudab seletada vaid murdosa tumeaine eeldatavast kogumassist.
Mõnes mõttes on see juba juhtunud. Neutriinod on raskesti tabatavad, kuid üldlevinud (60 miljardit neist läbib sekundis roosaka suurusega ruumi). Nad ei suhtle peaaegu kunagi tavalise ainega ja kuni 1988. aastani uskusime, et neil pole absoluutselt mingit massi. Tegelikult moodustavad neutriinod väikese osa universumi massist ja nad käituvad küll nagu kummaline tumeaine. Need ei ole "sama" tumeaine, kuid võib leida rohkem kui ühte tüüpi tumeainet.
Öelda, et elame avastuste ajastul, tähendab tegelikult seda, et elame lihtsalt suure huvi ajastul. Füüsikud väidavad, et saavutaksime midagi märkimisväärset, kui otsustaksime, et tumeaine ei ole vimp. Kas see poleks avastus? Samal ajal kubiseb see füüsika haru uutest ideedest ja konkureerivatest teooriatest. Mõned uurivad ideed, et interaktsioonid toimuksid pimedas aines, kuid me ei saa kunagi nendega seotud olla. Sel juhul tekivad pimedas aines nii väikese ulatusega interaktsioonid, mis ei oleks moodsat kosmoloogiat kuidagi mõjutanud. Isegi tema enda eksootiline universum - tume sektor - võib eksisteerida pimedas aines. See võimalus nii hirmutab kui võlub füüsikuid. Võiksime väita, et tumeaine on keeruline valdkond, mis jääb alati meie silmist põgenema,välja arvatud suhtlemine meie maailmadega läbi raskusjõu. Tume sektor võib olla sarnane paralleelse universumiga.
Tumeda aine põhiideega on üsna lihtne segi ajada, kui kõik teie täiustused on kaugeleulatuvad. Seda teevad kõik teoreetikud, kes uurivad tumeainet. Töötasin välja idee, et pimedas aines võib esineda enesetegevust, ja lisasin selle galaktikate simuleerimiseks mõeldud superarvuti programmi. Suures ulatuses, kus kosmoloogia teeb järjekindlalt õigeid ennustusi, ei tee see modifikatsioon midagi, kuid väikeses plaanis, kui tumeaine teooria mõnikord ebaõnnestub, aitab see lahendada mitu küsimust. Simulatsioone on lõbus vaadata ja need võivad aidata mõistlikke ennustusi. Ja kuigi selles on nii palju tundmatuid - mida teadlased nimetavad "peenhäälestuseks" -, võib tunduda, et mõned tulemused on kohandatud vaatlustele. Seetõttu hoidun otsustamast ja soovitan teil sama teha.
Me ei saa ilmselt kunagi kindlalt teada, kas tumeaine saab iseendaga suhelda. Parimal juhul võime arvata, kui tugev see suhtlus võib olla. Nii et kui minult küsitakse, kas minaga suhtlemise teooria on õige, siis ütlen ei. Piirdun sellega, et see on võimalik, kuid mitte tingimata. Pettumus, kas pole? Muidugi peab kosmoloogia sisaldama sügavamaid tõdesid, kui me aru saame.
Võib-olla õnnestub ühel päeval LUXi teadlastel või nende konkurentidel leida see, mida nad otsivad. Või kasutan tumeda aine varjatud tõe väljaselgitamiseks mõnda kirjeldamatut superarvutit. Kuid sel juhul ei ole see avastus "inimlik", see ilmub ootamatult masinast mitme jumala uurimise tulemusena. Tumeaine universum on osa meie universumist, kuid me ei saa seda kunagi aktsepteerida.
Loodus teeb meile epistemoloogiliselt nalja. See, mida me vaatleme, eksisteerib ainult ühes vormis, kuid see, mida me ei saa uurida, võib eksisteerida lõpmatus arvus riikides. Hea teooria peab segadust tekitama. Tume aine on keerulise probleemi lihtne lahendus, mitte vastupidi. Ja ometi pole mingit garantiid, et seda kunagi selgitatakse. Ja hoolimata sellest, kas astrofüüsikud suudavad selle kontseptuaalses mõttes üles leida, ei saa me sellest kunagi aru. Tume aine jääb väljaspool meie mõistmist. Olgu see kuidas on, elamine universumis, millest enamik on kättesaamatu, tähendab elamist lõputute võimaluste vallas.
Aleksander B Fry
Tõlkinud projekt NewWhat
