Det er ikke noe stoff som er mer utbredt og uforståelig enn mørk materie. Kan fysikk forstå dette enorme uløste problemet?
Jeg sitter ved skrivebordet mitt ved University of Washington og prøver å spare energi. Jeg mister ikke det, men datamodellene mine. Selv om kolleger kunne si det samme om meg. Når jeg forteller folk at jeg jobber med spekulative teorier om mørk materie, begynner de å se på meg med mistenksomhet. Jeg tror ikke noen ved universitetet tror på alt dette.
I presentasjonene mine fokuserer jeg på hvor mange kosmologiske problemer som kan løses. Occams barberhøvel er en slags universalmiddel for meg: bare én bekreftelse kan forklare så mange ting (Occams barberhøvel er et metodisk prinsipp som "du bør ikke tiltrekke deg nye enheter med mindre det er absolutt nødvendig." Enheter i denne sammenhengen er fakta, faktorer, begreper som forklarer hva eller et fenomen - ca. nytt hva). Jeg snakker om ting som ikke kan forklares innenfor rammen av allment aksepterte begreper om mørk materie. Melkeveien har tilsynelatende for få satellittgalakser. Den indre tilstanden til små galakser er ustabil. Her kommer Occams barberhøvel til hjelp for meg igjen, og jeg argumenterer for at disse motsetningene kan løses ved å tildele svak selvinteraksjon til standard mørk materie,et visst mønster av svak interaksjon av partiklene sine med hverandre. Noen kan spørre om jeg tror på alt dette selv. Vanskelig å fortelle.
Verden slik vi ser den er en illusjon, om enn ganske sterk. Etter hvert har vi blitt vant til å betrakte kvantefeltsteori, hvor det fremdeles er mange unøyaktigheter, som en ekte ide om verden; vi ser ikke alltid hva som egentlig skjer. Mørk materie kan betraktes som et overbevisende tillegg til dette konseptet. Det meste av saken i universet ser ut til å være skjult for oss. Dette er forvirrende for fysikere og allmennheten. Fysikere er bekymret for at det ikke finnes noen definitive, ugjendrivelige definisjoner av mørk materie. Det er vanskelig for alle andre å forstå noe så vag og unnvikende. Alt dette har en illevarslende likhet med måten forskere omstridt eksistensen av eteren for mer enn hundre år siden.
På slutten av 1800-tallet prøvde forskere å forstå hvordan elektromagnetiske bølger (som lys) kan bevege seg gjennom et vakuum. Vi forestiller oss bølger, vi tenker på vann, og da virker det åpenbart at det må være en slags bærer, en analog vann, der elektromagnetiske bølger vil krølle. Slik dukket ideen om "eter" opp - et unnvikende medium som gjennomsyrer rommet.
Amerikanske forskere Albert Michelson og Edward Morley gjennomførte sitt berømte eksperiment i 1887 for å bevise eller motbevise eterens eksistens. Hvis lys bare sprer seg takket være eteren, resonnerte de, så beveger jorden seg gjennom dette stoffet. For å teste dette bygde de en genial enhet: en solid optisk plate plassert i en tank med flytende kvikksølv for å forhindre vibrasjon og la platen rotere i alle retninger. Det var nødvendig å sammenligne lengdene av lysbølger rettet i forskjellige retninger, under rotasjonen av enheten eller under bevegelsen av jorden rundt solen. Siden planeten vår beveger seg i bane mot den "eteriske vinden", bør dette reflekteres i lysbølgene, redusere lengden. Etter seks måneder bør motstanden endre seg (den vil bli rettet i motsatt retning),og lysstrålene vil bli lengre igjen. Men til mange overraskelser forble lysets bølgelengder i alle retninger den samme. Ingenting sa om eksistensen til den påståtte verten. Ether viste seg å være en feil.
Imidlertid har ikke alle fysikere gitt opp eteren. Dette ble diskutert lenge, i det minste så lenge noen tilhengere av eterens eksistens levde. Morley selv trodde ikke på resultatene av eksperimentet. Bare et retrospektivt utseende bidro til å sikre at Michelson-Morley-eksperimentet beviser fraværet av eter, og som det viste seg senere, bekrefter Albert Einsteins mer radikale relativitetsteori.
Mørk materie, mørk energi, svarte penger, svarte markeder, svart biomasse, mørkt genom: forskere "tilslører" ethvert viktig fenomen som trosser forståelse og på en eller annen måte er skjult for direkte oppfatning. Dette mørket er med andre ord metaforisk. Men først ble det tatt bokstavelig. På 1930-tallet observerte den sveitsiske astronomen Fritz Zwicky en galakseklynge som var gravitasjonelt bundet til hverandre og beveget seg for raskt i banene sine. Bare tilstedeværelsen av en enorm masse usynlig materie kunne forklare hvorfor galakser fortsatt holder sammen. Zwicky foreslo at det var "mørk" materie - han mente ganske enkelt at han ikke kunne se den. Men selv etter ham fant astronomer bevis på usynlig materie i rommet. I galaksene selv roterer for eksempel stjerner for fort. Ser ut som,mørk materie er den mest utbredte substansen i universet.
Kampanjevideo:
Det er også det mest unnvikende stoffet. Det samhandler ikke med seg selv eller med andre stoffer som utgjør stjerner, planeter eller deg og meg. Det eneste beviset er gravitasjonseffekten, og tyngdekraften er dessverre den svakeste typen grunnleggende interaksjon. Men tyngdekraften er også den eneste universelle kraften, og derfor hersker mørk materie i universet.
I løpet av de siste 50 årene har vi klart å bygge en standard kosmologisk modell som veldig overbevisende beskriver den synlige delen av universet. Først forårsaket Big Bang den raske utvidelsen av rommet, materiens tetthet ble inhomogen. I løpet av de neste 13,7 milliarder årene ble disse uregelmessighetene mer uttalt på grunn av den uforgjengelige tyngdekraften, som antagelig utgjorde et "romgulv" av mørk materie, hvis gravitasjonsfelt holder de lyse galaksene synlige for oss.
Denne standard kosmologiske modellen har mye faktisk støtte, inkludert universets altomfattende gammafelt, fordelingen av galakser i rommet og klyngene deres. Disse grunnleggende observasjonene kombinerer vitenskapelig kunnskap og uavhengig forskning innen mange områder av astronomi. Alt dette stemmer godt overens med den kosmologiske modellen, som forutsetter tilstedeværelsen av mørk materie. Astrofysikere som ikke tar prinsippene i denne modellen på alvor, forblir i mindretall. Det er ikke det at denne teorien virker spesielt god for alle, det er bare at det ikke er noe slikt konsekvent og vellykket alternativ. Ingen av teoriene kan forklare hva mørk materie er. Dette er faktisk et av de største uløste problemene i fysikk.
Derfor fortsetter søket. Partikkelakseleratorer behandler dataene, mange sensorer er skjult under jorden, og teleskoper peker mot himmelen. Den moderne æraen med eksperimentering skifter allerede den strenge rammen av plausible teorier. I beste fall vil vi kunne forstå mørk materie om tjue år. I verste fall vil vi aldri forstå det.
Vi lever i en tid med nye funn. En velprøvd teori forklarer mangfoldet av elementære partikler som vi kan observere. Den samme teorien antyder at det er andre, ennå ikke identifiserte partikler. For flere tiår siden innså teoretikere at det kunne være såkalte svakt interagerende massive partikler (mikrobølgeovn). Slike partikler kan ha alle egenskapene til mørk materie, slik at den kan være rett under nesen. Hvis mørk materie bestod av mikrobølgefrekvenser, ville den samhandle så svakt med vanlig materie at den bare kunne oppdages som et resultat av en serie spesielle eksperimenter på studiet av mørk materie, som ble mulig ganske nylig. Den mest lovende av disse er South Dakotas Large Underground Xenon Experiment (LUX), verdens største mørkestoffdetektor. Den ble bygget på stedet for en gullgruve i februar 2013 og er i stand til å oppdage de mest unnvikende elementære partiklene. Til tross for LUXs overfølsomhet, krever tålmodighet å finne mørk materie. Så langt er alt som har falt i LUX-fellen utbrudd av kosmisk støy som ikke har noen betydning.
Den tidligere suksessen til standardparadigmer i teoretisk fysikk har ført oss til å jakte på en enkelt vanlig partikkel av mørk materie - den mørkeste materien. Kanskje har vi imidlertid ikke tilstrekkelig grunnlag for å anta at noe i det hele tatt kan bli funnet.
Som den engelske fysikeren John D. Barrow sa i 1994: "Det er ingen grunn til å tro at universet burde vært designet for vår bekvemmelighet."
Med dette forbeholdet i tankene ser mulighetene ut til å være som følger. Enten eksisterer mørk materie, eller ikke. Hvis den eksisterer, kan vi enten finne den eller ikke. Hvis den ikke eksisterer, kan vi enten bevise at den ikke eksisterer, eller så kan vi ikke. Observasjoner som får astronomer til å hevde at mørk materie eksisterer i begynnelsen, virker for sterke og overbevisende til å avvise, så det vanligste argumentet mot eksistensen av mørkt materie er at noe er galt med vår forståelse av tyngdekraften - at det ikke nødvendigvis fører seg selv som forutsagt av Einstein. Det ville snudd opp ned på vår forståelse av fysikk, så få mennesker vil finne ut av det. På den annen side, hvis mørk materie eksisterer, men vi ikke kan oppdage det, så befinner vi oss i en ekstremt ubehagelig posisjon.
Men vi lever i en gullalder innen kosmologi. I løpet av de siste to tiårene har vi oppdaget så mye: vi målte endringer i storstrålingen til Big Bang, lærte at utvidelsen av universet akselererer, fikk et glimt av sorte hull og klarte å fange de lyseste eksplosjonene i universet. I de kommende tiårene vil vi mest sannsynlig kunne se på de første stjernene i universet, kartlegge en nesten fullstendig fordeling av mørk materie, og høre en katastrofal sammensmelting av sorte hull via gravitasjonsbølger. Selv blant alle disse "rikdommene" tilbyr mørk materie et unikt perspektiv, når de fusjonerer nye observasjoner, teori, teknologi og (forhåpentligvis) ny finansiering.
Alle de foreslåtte måtene å forstå mørk materie kan deles inn i tre kategorier: kunstig rekonstruksjon (i en partikkelakselerator), indirekte og direkte deteksjon. Den siste metoden der forskere prøver å fange WIMP i naturen, er spesielt herlig og inspirerende. LUX underjordiske detektor er en av de første i en ny generasjon ultrafølsomme eksperimenter. Den består i å spore samspillet mellom WIMP og kjernene til vanlige atomer. For det meste består dette eksperimentet av meget rene måldetektorer som uberørt elementært germanium eller xenon, avkjølt til ekstremt lave temperaturer og beskyttet mot partikler utenfor. Problemet er at løse partikler fremdeles kommer gjennom. Slike brudd overvåkes nøye. Å redusere støy, skjerming og nøyaktighet i statistiske målinger er de eneste måtene å skille de virkelige interaksjonene mellom mørke materiepartikler fra falske alarmer.
Teoretikere har vurdert mange muligheter for hvordan en partikkel kan samhandle med en wimp. Faktisk har den første generasjonen av eksperimenter allerede utelukket muligheten for såkalt partikelspredning som et resultat av interaksjon med z-bosonen. Det som gjenstår er partikelspredning fra Higgs boson-kollisjon, som vil inkludere den samme partikkelen som ble oppdaget i november i fjor ved Large Hadron Collider i Genève. Dette innebærer veldig lite interaksjon, men det ville være ideelt for den nåværende følsomheten til neste generasjons eksperimenter.
Igjen sier vitenskapen mindre om hva som er enn om hva som ikke er, og ikke-oppdagelser har skapt interessante nok begrensninger for hva mørk materie kan være. Også på utviklingsstadiet, som ligner eter på grunn av dets motsetninger, vendte de blinde øye for noen avvik, hvis art må avklares. Ved å bruke en annen detektor som LUX, hevder det italienske eksperimentet DAMA (forkortelse for "DArk MAtter") å ha funnet moduleringen av signalet om mørk materie over et år. Kritikere diskuterer om de i det hele tatt hadde signal. Som med eter, forventet vi å se denne typen årlige variasjoner når jorden roterer rundt solen, noen ganger i retning av den større galaktiske rotasjonen, noen ganger mot den. DAMA-ansatte målte denne årlige moduleringen. Andre konkurrerende prosjekter (f.eks. XENON, CDMS,Edelweiss og ZEPLIN) klarte ikke å gjøre dette, men disse eksperimentene kan ikke korreleres direkte, så fordømmelse bør utsettes.
Naturen kan være grusom. Fysikere kan ta "udetekterbarhet" som et hint om at det er på tide å gi opp, men det er alltid den spennende muligheten for at vi bare trenger et bedre eksperiment. Eller kanskje mørk materie vil vise seg å være like kompleks som vanlig materie. Tidligere eksperimenter har avdekket ganske strenge grenser for hvor vanskelig vi kan forvente - det er ingen muligheter for å oppdage mennesker fra mørk materie, eller til og med kjemi av mørk materie, tro meg - men det kan fremdeles vises for oss i flere klær. Vi kan finne noe partikkel som bare kan forklare en brøkdel av den forventede totale massen av mørk materie.
På en måte har dette allerede skjedd. Nøytrinoer er unnvikende, men allestedsnærværende (60 milliarder av dem passerer gjennom rosa størrelse hvert sekund). De samhandler nesten aldri med vanlig materie, og til 1988 trodde vi at de hadde absolutt ingen masse. Faktisk utgjør nøytrinoer en liten brøkdel av universets masse, og de oppfører seg som en merkelig slags mørk materie. De er ikke "den samme" mørke materien, men det kan være mer enn en type mørk materie vi kan finne.
Å si at vi lever i en tid av oppdagelse, er virkelig å si at vi bare lever i en tid med intens interesse. Fysikere hevder at vi ville oppnå noe betydelig hvis vi bestemte oss for at mørk materie ikke er wimps. Ville ikke dette være en oppdagelse? Samtidig vrimler denne grenen av fysikk med nye ideer og konkurrerende teorier. Noen utforsker ideen om at interaksjoner skjer i mørk materie, men vi kan aldri være involvert i dem. I dette tilfellet forekommer interaksjoner av en så liten skala i mørk materie at de ikke ville ha påvirket moderne kosmologi på noen måte. Selv sitt eget eksotiske univers - den mørke sektoren - kan eksistere i mørk materie. Denne muligheten både skremmer og fascinerer fysikere. Vi kan hevde at mørk materie er et komplekst rike som alltid vil unnslippe øynene våre,bortsett fra samhandling med våre verdener gjennom tyngdekraften. Den mørke sektoren kan likne et parallelt univers.
Det er ganske enkelt å rote rundt med kjernetanken om mørk materie når alle forbedringene dine er langt hentet. Dette gjør alle teoretikere som studerer mørk materie. Jeg utviklet ideen om at det kunne være selvinteraksjoner i mørk materie, og jeg la dette til et superdataprogram for simulering av galakser. I stor skala, hvor kosmologi gir konsekvent korrekte spådommer, gjør denne modifiseringen ingenting, men i liten skala, når teorien om mørk materie noen ganger mislykkes, hjelper det å løse flere spørsmål. Simuleringene er morsomme å se på og kan gi rimelige spådommer. Og mens det er så mange ukjente i det - det forskere kaller "finjustering" - kan det virke som om noen av resultatene er skreddersydd til observasjonene. Dette er grunnen til at jeg avstår fra å dømme og råder deg til å gjøre det samme.
Vi vil sannsynligvis aldri vite sikkert om mørk materie kan samhandle med seg selv. I beste fall kan vi gjette hvor sterke disse interaksjonene kan være. Så når jeg blir spurt om teorien om selvinteraksjon er riktig, sier jeg nei. Jeg begrenser meg til at det er mulig, men ikke nødvendigvis. Skuffende, er det ikke? Selvfølgelig må kosmologi inneholde dypere sannheter enn vi kan forstå.
Kanskje en dag vil LUX-forskere eller deres konkurrenter kunne finne det de leter etter. Eller jeg bruker en ubeskrivelig superdatamaskin for å finne ut den skjulte sannheten om mørk materie. Imidlertid, i dette tilfellet vil ikke denne oppdagelsen være "menneskelig", den vil vises plutselig, som et resultat av forskning av flere guder fra maskinen. Mørk materieuniverset er en del av vårt univers, men vi kan aldri akseptere det.
Naturen gjør narr av oss epistemologisk. Det vi observerer eksisterer bare i én form, men det vi ikke kan undersøke, kan eksistere i et uendelig antall stater. En god teori må være forvirrende. Mørk materie er en enkel løsning på et komplekst problem, ikke omvendt. Og likevel er det ingen garanti for at dette noen gang vil bli forklart. Og uansett om astrofysikere kan finne det i konseptuell forstand, vil vi aldri kunne forstå det. Mørk materie vil forbli utenfor vår forståelse. Uansett, å leve i et univers hvor det meste er utilgjengelig, betyr å leve i et rike med uendelige muligheter.
Alexander B Fry
Oversatt av NewWhat-prosjektet
