Zapomniana teoria odsłania tropy nowej fizyki
Upraszczając, jak na felieton przystało, powiedzieć można, że istnieją dwa podstawowe typy wielkich odkryć w fizyce. Pierwszy – nazwijmy go einsteinowskim – jest błyskiem geniuszu wyjaśniającym paradoksy i niwelującym wewnętrzne napięcia w istniejącym opisie świata (niekiedy nawet powszechnie nieuświadomione). Tak pojawiła się, na przykład, teoria względności.
Jest też drugi typ – planckowski – kiedy z braku lepszych pomysłów dopasowujemy teorię do danych doświadczalnych, odsuwając w przyszłość próbę zrozumienia, co się naprawdę dzieje. To właśnie uczynił Max Planck, który w 1900 r., próbując poradzić sobie z niemożnością zrozumienia promieniowania ciała doskonale czarnego napisał swój słynny wzór – starając się po prostu dopasować go do obserwacji.
Logika takiego postępowania jest oczywista. Co prawda nadal niczego nie rozumiemy, ale przynajmniej wiemy, co zrozumieć powinniśmy. Parę miesięcy później ten sam Planck wyprowadził swój wzór na podstawie wyciągniętej z rękawa hipotezy, która – wedle ówczesnej wiedzy – była zupełnie bez sensu. Polegała ona na tym, że energia wypromieniowywana być może tylko w skończonych porcjach, kwantach. Planck uważał, że światło jest jak masło: niby może istnieć w dowolnych ilościach, ale w sklepach występuje tylko w 200-gramowych kostkach.
Parę lat później Einstein, Bohr i inni wzięli na poważnie jego podstawowe przesłanie, że światło występuje tylko w „kostkach-kwantach”. I tak narodziła się mechanika kwantowa, której zresztą nadal, po 120 latach, nie do końca rozumiemy.
Gwiazdy uparcie nie poruszają się tak, jak byśmy chcieli
Jeśli chciałoby się szukać współczesnych odpowiedników wspomnianej wyżej pierwszej, przełomowej pracy Plancka to wybór padłby zapewne na teorię zwaną Modified Newtonian Dynamics, w skrócie MOND, zaproponowaną na początku lat 80. XX w. przez izraelskiego fizyka Mordechaja Milgroma z Weizmann Institute of Science. A ponieważ powstała ona jako efekt naiwnego dość usiłowania znalezienia opisu danych obserwacyjnych, od tych danych wypadłoby zacząć.
Już przed II wojną światową astrofizyków obserwujących ruch gwiazd w galaktykach zaczął niepokoić fakt, że ich prędkość na orbitach wokół jądra galaktyki odbiega od przewidywań mechaniki newtonowskiej (ponieważ gwiazdy poruszają się wolno, a grawitacja jest słaba, w tym przypadku poprawki wynikające z relatywistycznej teorii grawitacji Einsteina są zaniedbywalnie małe). Te początkowe przypuszczenia, że coś jest nie w porządku, potwierdzone zostały w latach 60. i 70. przez Verę Rubin, amerykańską astronomkę, która zmarła niedawno nie doczekawszy się jakże zasłużonego Nobla za jedno z najważniejszych odkryć w dwudziestowiecznej fizyce. Typowy wykres zależności prędkości gwiazd od odległości od centrum galaktyki przedstawia rysunek. Widać z niego, że tam, gdzie według Newtona prędkość powinna spadać, rośnie, żeby w końcu osiągnąć pewną, w miarę stała wartość. Mówimy, że krzywe prędkości wypłaszczają się tam, gdzie powinny zacząć opadać.
Ale skąd wiemy, jak powinny poruszać się gwiazdy? Wynika to jednoznacznie z równań Newtona, ale przy założeniu, że wiemy, jaka jest masa i jak jest ona w galaktyce rozłożona. Oczekiwana krzywa obliczona jest przy założeniu, że na masę galaktyki składają się gwiazdy i pył międzygwiezdny. Odstępstwa od tej krzywej wyjaśnić więc można na dwa sposoby: albo części masy nie widzimy, albo w pewnych warunkach grawitacja newtonowska nie jest poprawna.
W odchyleniach od przewidywań teorii Newtona jest prawidłowość
Ta pierwsza odpowiedź wymaga istnienia we Wszechświecie: tzw. zimnej ciemnej materii. Wierzy w nią niemal całe środowisko fizyków cząstek elementarnych. I ma po temu dobre powody. Zimna ciemna materia składać się może z nieznanych jeszcze masywnych cząstek elementarnych. Ich odkrycie stałoby się jakże oczekiwanym wielkim przełomem w fizyce mikroświata. Można takich cząstek poszukiwać w eksperymentach i obserwacjach, teoretyzować na ich temat. Jednym słowem jest to problematyka zapewniająca byt – intelektualny, ale też taki zupełnie przyziemny – sporej grupie naukowców.
Milgrom wybrał natomiast drugą możliwość. Jego punktem wyjścia było pytanie: czy w obserwowanych odchyleniach od przewidywań teorii Newtona istnieje jakaś prawidłowość? Kiedy dokładnie pojawia się rozbieżność? Pomyśleć można, że rozbieżności pojawiają się od pewnej odległości od centrum, albo by prędkość gwiazdy staje się odpowiednio duża. Tak jednak nie jest.
Okazuje się, że dla dużej klasy galaktyk odstępstwa zaczynają się w momencie, gdy siła grawitacji działająca na poruszające się gwiazdy staje się odpowiednio mała, lub – innymi słowy – gdy przyspieszenie krążącego wokół centrum galaktyki obiektu osiąga pewną minimalną wartość oznaczaną zazwyczaj a0. Owo minimalne przyspieszenie jest niezwykle małe, wynosi 10-10 m/s2, czyli jest sto miliardów razy mniejsze niż przyspieszenie ziemskie. Gdy przyspieszenie krążącej gwiazdy jest większe niż a0, porusza się ona tak, jak przewiduje fizyka newtonowska, jeśli mniejsze – krąży ona ze stałą prędkością, niezależnie od promienia orbity.
Tworząc swoją teorię w latach 80. Milgrom miał do dyspozycji wyniki niewielu obserwacji, ale dzisiaj wiemy, że efekty przewidziane przez MOND zachodzą dla dużej klasy galaktyk. Ostatnio pokazano też, że MOND lepiej niż teoria Newtona zgadza się z obserwowanym zachowaniem otwartych gromad gwiazd. Okazuje się jednak, że MOND ma kłopoty z opisem zjawisk kosmologicznych, więc na pewno nie jest to teoria kompletna. Nie o to jednak chodzi: Modified Newtonian Dynamics nie jest ugruntowaną teorią, jak teoria względności czy mechanika kwantowa; jest jedynie wskazówką. Ale wskazówka ta jest na tyle ważna, że nie można obok niej przejść obojętnie.
Wszechświat krzyczy, a my ciągle nie widzimy całości obrazu
Wielkość dwóch klasycznych teorii, względności i kwantów, ma swoje źródła w umykającym przy pobieżnym oglądzie fakcie, że obie wprowadziły do fizyki fundamentalne skale wielkości. W przypadku teorii względności jest to prędkość światła. Jeśli charakterystyczna prędkość w jakimś procesie jest porównywalna z prędkością światła, efekty relatywistyczne są znaczące, w przeciwnym przypadku można je zaniedbać. Prędkość światła pozwala na sklejenie czasu i przestrzeni w jeden obiekt, czasoprzestrzeń. Tak samo z mechaniką kwantową. Stała Plancka pozwala na sklejenie czasoprzestrzeni z energiami i pędami (mało się o tym mówi, ale jestem przekonany, że stanowić to będzie jeden z kamieni węgielnych nadchodzącej rewolucji w fizyce).
Podobnie jest z MOND. Jego centralnym postulatem jest istnienie uniwersalnej skali przyspieszenia a0 o wielkości około 10-10 m/s2. Napisałem powyżej, że fizycy cząstek elementarnych wybierają zazwyczaj jedno rozwiązanie problemu wypłaszczenia krzywych prędkości, a zwolennicy MOND – drugie. Ale w sumie, nie ma między nimi fundamentalnej różnicy. Każda teoria opisująca ruch gwiazd w galaktykach, czy to przyjmująca istnienie nowych cząstek elementarnych, czy modyfikująca grawitację musi zawierać tę skalę przyspieszenia (ten warunek jest powszechnie ignorowany przez fizyków cząstek elementarnych zajmujących się ciemną materią).
I, gdy tylko sobie to uświadomimy, zaczynają dziać się cuda. Okazuje się, że ekspansja wszechświata przyspiesza dokładnie w takim samym tempie, ale zdominowana jest przez ciemną energię. Tak więc ciemna energia też „wie” o istnieniu uniwersalnej skali przyspieszenia. Dochodzimy do wniosku, że istnieje tajemnicza więź między ciemną materią, ciemną energią i grawitacją. Wiemy to od lat niemal 40 i nic nie potrafimy z tym zrobić. Jesteśmy jak ci straszni mieszczanie z wiersza Tuwima, co to patrząc – wszystko widzą oddzielnie. A przecież wszechświat wręcz do nas krzyczy, że to oddzielne jednym jest w istocie.
Nie wydaje mi się, żeby MOND mógł przetrwać w oryginalnym kształcie zaproponowanym przez Milgroma. Ale kiedy za kilkadziesiąt lat opowiadać będziemy o narodzinach nowej fizyki, jego pomysł zajmie w tej opowieści należne miejsce.