W fizyce fundamentalnej kolejne katastrofy. I jak tu się nie cieszyć!

Po kilku latach pracy badaczom z amerykańskiego ośrodka Fermilab udało się podwoić dokładność pomiaru parametru zwanego anomalnym momentem magnetycznym mionu. Mamy już pewność (patrz: ramka), że przewidywania Modelu Standardowego fizyki cząstek elementarnych nie zgadzają się z wynikami doświadczenia (zakładając, że obliczenia teoretyczne są poprawne – nie ma tu pełnej zgody). Od lat wiadomo o jego słabościach, po raz pierwszy mamy jednak do czynienia z jawną sprzecznością. (zainteresowanych odsyłam do komiksu wyjaśniającego, o co chodzi https://physics.aps.org/articles/v14/47). A jak historia uczy, sprzeczność to motor postępu. Jest więc dobrze.

Ale prawdziwą bombą – przynajmniej dla mnie – była opublikowana w prestiżowym „Astrophysical Journal” praca Koreańczyka Kyu-Hyun Chae o ruchu gwiazd w rozległych układach podwójnych, w których dwie gwiazdy dzieli od kilkudziesięciu do kilku tysięcy jednostek astronomicznych (czyli kilkaset do kilku tysięcy odległości Ziemi od Słońca).

Bardzo radykalna propozycja uderzająca w fundamenty fizyki

Dlaczego obserwacje te są takie ważne? Już niemal sto lat temu pojawić się zaczęły pierwsze sygnały, że w ruchu gwiazd w galaktykach coś się nie zgadza. Dla tych znajdujących się niedaleko centrum galaktyki wszystko pokrywało się z przewidywaniami teorii grawitacji. Jednak dla gwiazd odleglejszych zaczynały pojawiać się rozbieżności. Co więcej, odkryto, że odstępstwa od przewidywań teorii Newtona stają się istotne, gdy przyspieszenie, z jakim gwiazdy się poruszają, staje się odpowiednio małe.

Owo graniczne przyspieszenie wynosi mniej więcej jedną dziesięciomiliardową przyspieszenia ziemskiego g albo jedną milionową przyspieszenia, z jakim Ziemia porusza się wokół Słońca. W żargonie astrofizyków mówimy, że krzywe ruchu obrotowego gwiazd się „spłaszczają”. Żeby było ciekawiej, przyspieszenie graniczne jest bardzo bliskie przyspieszeniu, z jakim rozszerza się Wszechświat (koincydencje są ciekawe, bo może się – choć nie musi – kryć za nimi jakaś głęboka prawidłowość).

Źródłem grawitacji jest masa, więc najprostszym rozwiązaniem problemu anomalnego ruchu gwiazd (ale też odpowiedzią na parę innych istotnych pytań astrofizyki i kosmologii) jest przyjęcie, że obok materii, którą widzimy, obserwując gwiazdy i galaktyki, istnieje jeszcze jeden rodzaj materii – zwanej ciemną – która nie świeci (i dlatego nie możemy jej zobaczyć), ale grawituje, a więc wpływa na ruch gwiazd w galaktykach. Jest to rozwiązanie szczególnie intensywnie badane przez fizyków cząstek elementarnych. Zajmują się tym zastępy teoretyków i doświadczalników, niestety bez powodzenia: nie udało się ani zaobserwować śladu „ciemnych” cząstek, ani nawet wyłonić powszechnie akceptowalnego opisu.

Drugą możliwością jest założenie, że przy bardzo małych przyspieszeniach modyfikacji ulega teoria grawitacji. Taka możliwość wyjaśnienia anomalnego ruchu gwiazd zaproponował 40 lat temu izraelski fizyk Mordechaj Milgrom, nadając swojej teorii nazwę Modified Newtonian Dynamics, w skrócie MOND (o MOND pisałem szerzej w PULSARZE). Jej podstawowym przewidywaniem jest to, że istnieje uniwersalna skala przyspieszenia, poniżej której przestają obowiązywać przewidywania newtonowskiej i einsteinowskiej teorii grawitacji.

Jest to bardzo radykalna propozycja, uderzająca wprost w fundamenty fizyki. Na dodatek nikomu nie udało się przewidywania o istnieniu MOND-owskiej skali przyspieszenia przekuć na porządną teorię fizyczną. Wszystkie dotychczas zaproponowane modele są tak sztuczne i brzydkie, że jest wysoce nieprawdopodobne, by mogły być prawdziwe (nie wdaję się w skomplikowane rozważania, co to znaczy „prawdziwe”; mam na myśli modele powszechnie akceptowane przez społeczność fizyków).

Obiektywnie istniejące zjawisko i jego dwa równie interesujące wyjaśnienia

Jak rozstrzygnąć, które wyjaśnienie odpowiada prawdzie? Jedną z możliwości jest badanie układów, w których efekt ciemnej materii jest zaniedbywalnie mały, a w których przyspieszenia obiektów są bliskie, większe, lub mniejsze niż przyspieszenie graniczne. Jeśli w takich układach zaobserwujemy istnienie granicznego przyspieszenia i odstępstw od przewidywań fizyki newtonowskiej, to będzie to mocny dowód na to, że fizyka ta wymaga modyfikacji.

Przykładem takich obiektów są właśnie rozległe układy podwójne. Mamy tu do czynienia z dwiema gwiazdami krążącymi wokół wspólnego środka masy i znajdującymi się stosunkowo daleko od siebie, na tyle daleko, że przyspieszenie ich ruchu orbitalnego jest niezwykle małe. Danych obserwacyjnych dostarczył tu europejski teleskop kosmiczny Gaia, od 2014 r. krążący wokół oddalonego o półtora miliona kilometrów od Ziemi tzw. punktu libracyjnego L2 (w tym samym obszarze pracuje teleskop Webba). W wyniku tych obserwacji w promieniu 1000 parseków odkryto ponad milion układów podwójnych.

Nie wszystkie one nadają się jednak do badań ruchu przy niskich przyspieszeniach. Po pierwsze, trzeba mieć absolutną pewność, że w pobliżu naszych dwóch gwiazd nie znajduje się jakiś inny masywny obiekt, który wpłynąć mógłby na ich ruch. Musimy też mieć możliwość dokładnego pomiaru odległości układu mas wchodzących w jego skład gwiazd i prędkości ich ruchu. W tym drugim przypadku pojawia się dodatkowa trudność: ponieważ płaszczyznę orbit gwiazd widzimy zazwyczaj nie en face, ale pod pewnym kątem, musimy to wziąć pod uwagę. Koniec końców, w pracy Kyu-Hyun Chae z miliona układów podwójnych przydatnych okazało się około 4 tysięcy.

Skarby ukryte w zjawiskach zachodzących przy minimalnych przyspieszeniach

Wynik analizy tych układów jest jednoznaczny: w przedziale ufności przekraczającym 5 σ – czyli w istocie z pewnością – stwierdzono, że gdy przyspieszenie ruchu gwiazd staje się mniejsze niż przyspieszenie charakterystyczne, pojawiają się znaczące odstępstwa od przewidywań teorii grawitacji. A ponieważ nie widać żadnej możliwości, by za efekt ten odpowiedzialna być mogła ciemna materia, uzyskujemy niezwykle poważną przesłankę, że w przypadku małych przyspieszeń, teoria grawitacji, fundament fizyki, musi być zmodyfikowana.

Jakżeż piękna jest to katastrofa! Jeśli konkluzje badań Kyu-Hyun Chae zostaną potwierdzone, fizycy staną przed koniecznością przeformułowania teorii grawitacji, będącej jednocześnie fundamentalną teorią czasu i przestrzeni.

Przez ostatnie kilkadziesiąt lat fizyka fundamentalna poszukiwała nowych wyzwań w świecie coraz większych energii. Zderzano cząstki elementarne, mając nadzieję, że w roztrzaskując je na kawałki, uzyskamy wgląd w najgłębsze tajemnice przyrody. A tymczasem wygląda na to, że skarby ukryte są w zjawiskach zachodzących przy minimalnych przyspieszeniach. Ich odnalezienie oznaczałoby nową rewolucję o niedających się przewidzieć konsekwencjach.