562
BLOG
Co jest lepsze: ciemna materia czy zmiana prawa grawitacji?
BLOG
Ciemną materię wolą ci ,którzy upodobali sobie taką metodologię nauk przyrodniczych: znane, tłumaczyć sobie za pomocą nieznanego.Już w 1931 roku Fritz Zwicky ustalił pomiarami ,że w gromadzie galaktyk w Warkoczu Bereniki, czyli w skupisku ok. tysiąca galaktyk ,te galaktyki które są na peryferiach systemu poruszają się zbyt szybko na to, by były związane grawitacyjnie, tylko przez zawartą w tej gromadzie, widoczną materią[1].Rok później Jan Oort stwierdził ,że w naszej Galaktyce gwiazdy peryferyjne mają tak duże prędkości rotacji wokół centrum układu ,że musi istnieć dodatkowa ,niewidzialna materia gwarantująca stabilność ich odległości od centrum. Nazwał ją ciemną materią.Podobne odkrycie było udziałem Sinclaira Smitha z obserwatorium na Mount Wilson, który badał gromadę galaktyk w Pannie, no i przede wszystkim zespołu Very Rubin z Carnegie Institution of Washington , który pod jej kierunkiem przebadał w latach 40-tych ub.w. rotacje gwiazd w wirujących spiralnych galaktykach i ustalił ,że grawitacja pochodząca od widocznej masy galaktyki nie byłaby wystarczająca do tego, by gwiazdy peryferyjne nie zostały wyrzucone siłami odśrodkowymi poza galaktykę.Vera Rubin w pracy matematycznej udowodniła[2], iż ten efekt(stabilność osobników w rotującym układzie) będzie zagwarantowana przy założeniu ,że układ jest zanurzony w gigantycznej, nie świecącej kuli “ciemnej materii” o masie kilkanaście razy większej od całkowitej masy widzialnej układu.Posiadamy dzisiaj setki empirycznych(obserwacyjnych) krzywych rotacji galaktyk i każda z nich przedstawia prędkość gwiazd w dysku galaktyki spiralnej, w funkcji odległości tej gwiazdy od centrum galaktyki.Warunek równowagi dynamicznej dla danej gwiazdy pomiędzy siłą odśrodkową a przyciąganiem grawitacyjnym jestF (r ) = F (g ) skąd po zastosowaniu odpowiednich wzorówV2 /R = G*M( R)/R2SkądV = sqrt G*M( R)/RGdzie M( R) - masa galaktyki zawarta w kuli o promieniu R(masa znajdująca się na zewnątrz promienia R nie wywiera przyciągania grawitacyjnego zgodnie z odpowiednim twierdzeniem Newtona).Na dużych odległościach od centrum zakładamy, że masa w przybliżeniu jest stała, stąd wynika, iż prędkość rotacji takich gwiazd będzie odwrotnie proporcjonalna do pierwiastka z R.Rysunek poniżej przedstawia wyniki pomiarów krzywej rotacji i widać ,że na dużych odległościach wielkość ta w przybliżeniu jest stała. 
Jednak jej wartość otrzymana z pomiarów jest ok. trzy razy większa od przewidywanych teoretycznie, co oznacza, że galaktyki średnio zawierają 10 razy więcej materii niż potrafimy dostrzec! Jest to tak zwana ciemna materia.Sugeruje się ,że materia ta ma nieznaną ,niebarionową naturę i prawie nie oddziałuje ze zwykłą materią.Hipoteza ciemnej materii tłumacząca dokładnie zbadany efekt fizyczny(krzywe rotacji galaktyk) jest wzmocniona teorią nukleosyntezy we wszechświecie o gęstości krytycznej. Bardziej szczegółowe hipotezy mówią o aksjonach lub preonach, jako składnikach tworzących ciemną materię.Istnieją nawet schematy eksperymentów na LHC ,które zdaniem optymistów, rozstrzygną problem istnienia ciemnej materii.Tymczasem, od –dokładnie - dwudziestu pięciu lat, wzbudza uwagę i zainteresowanie inna hipoteza wyjaśniająca zagadkową rotację w układach kosmicznych. Jej autor, izraelski fizyk Mordehai Milgrom wyszedł z innych pozycji metodologicznych: nieznane tłumaczy czymś znanym, nieco zmodyfikowanym. Jak wiadomo każde prawo fizyki ma swój obszar stosowalności, poza którym zawodzi, musi być zmodyfikowane.Milgrom zauważył, że w każdej galaktyce istnieje pewna orbita, poza którą , prawo grawitacji Newtona nie jest słuszne, a wewnątrz tej orbity jest słuszne. Przy czym ta linia graniczna nie odpowiada żadnym własnościom fizycznym gwiazd, lecz jest wyznaczona przez – przyspieszenie grawitacyjne. Tak długo, jak przyspieszenie dośrodkowe gwiazdy przewyższa tę krytyczną wartość, to obowiązuje znane nam prawo grawitacji I.Newtona.Kiedy jednak obserwowane przyspieszenie dośrodkowe staje się mniejsze od wartości krytycznej- prawo Newtona przestaje działać. Milgrom wyliczył wartość tego krytycznego przyspieszenia i wynosi ona 1,2*10E(-10) [m/s2] i jest w przybliżeniu równe przyspieszeniu z jakim rozszerza się nasz Wszechświat!W swoje pracy [3,4] Milgrom zaproponował teorię ,którą nazwał “Modified Newtonian Dynamics (MOND), według której prawo Newtona działa do pewnej wartości przyspieszenia grawitacyjnego(1,2*10E(-10)[m/s2] i od tego momentu zamiast zmniejszać się z kwadratem odległości od centrum masy, zmniejsza się jak odwrotność tej odległości. No i dodatkowo siła grawitacji nie jest proporcjonalna do masy żródłowej, lecz do pierwiastka z tej masy.Nowe prawo na obliczanie siły grawitacyjnej ma postać:F = [G*sqrt M]/Rco oznacza ,że gwiazdy na zewnątrz specjalnej przestrzeni(wyznaczonej przez krytyczną wartość R) podlegają większej sile grawitacji, niż to wynika z prawa Newtona.MOND zupełnie dobrze funkcjonuje w odniesieniu do gwiazd wewnątrz galaktyk, zdecydowanie lepiej niż hipoteza ciemnej materii.Teoria MOND została także wsparta szokującym odkryciem zespołu NASA (Jet Propulsion Laboratory) podczas pomiarów prędkości Pioneera 10,dodatkowego przyspieszenia sondy w stronę Słońca o wartości ok.5*10E(-10) [m/s2]! Anomalia ta została zaobserwowana i zmierzona dla drugiej sondy Pioneer-11 (obydwie sondy mają opuścić Układ Słoneczny).Gorzej jest z zastosowaniem MOND do gromad galaktyk, gdyż tam krzywa rotacji lepiej jest weryfikowana przez hipotezę ciemnej materii.Napisałem na wstępie ,że każde prawo fizyki ma swój charakterystyczny obszar zastosowań i jednocześnie ten obszar warunkuje prawdziwość tego prawa. Prawo powszechnego ciążenia Issaca Newtona jest formułowane jako sąd ogólnotwierdzący: ”każde dwie masy przyciągają się z siłą ...”.Po trzystu latach jego obywatelstwa w fizyce, przyszedł czas eksperymentalnej weryfikacji pytania: “czy każde dwie masy i z każdej odległości?Do tej pory (do 2007)zbadano doświadczalnie bardzo subtelnymi pomiarami, że prawo Newtona jest spełnione dla odległości środków mas ok. jednej setnej milimetra(pomiary grupy E.Adelberga na Uniwersytecie Waszyngtońskim [5]).Ta sama grupa badawcza projektuje badania prawa Newtona dla mas rzędu 10E(-5) [kg].Trudności teoretyczne tych badań są bardzo poważne, gdyż ich wyniki (zwłaszcza MOND) stoją w sprzeczności z teorią względności. W zakończeniu ,wrócę do kwestii metodologii fizyki. Nie sympatyzuję się z metodologią, którą skrótowo określam: tłumaczyć znane za pomocą nieznanego. Wystarczy przyjrzeć się do czego taka metodologia doprowadziła, na przykładzie historii teorii strun.Zaczyna się od pierwszego “nieznanego”, a następnie kolejne “nieznane “ zaczyna być wyjaśniane przez następne “nieznane’, mnoży się hipotetyczne byty, do nich po kolei powołuje się następne teorie, powstaje cały “krajobraz teorii”(oficjalna nazwa!) i na koniec formalizm matematyczny “odkrywa’ , że ten krajobraz składa się z 10500 teorii !Dla mnie jest oczywiste, że taka metodologia badań w fizyce prowadzi do jednego krajobrazu: pustyni myślowej. Dlatego, jeśli Milgrom proponuje modyfikację prawa Newtona dla pewnych wymiarów przestrzeni , to zbadajmy najpierw możliwość eksperymentalnej weryfikacji tej hipotezy zanim ją zaczniemy wykorzystywać, jako bazy do następnych hipotez. Umiar i roztropność w badaniu rzeczywistości , to nie ostatnie zalety racjonalizmu. Literatura[1] F.Zwicky, On the Masses of Nebulae and of Clusters of Nebulae ,The Astrophysical Journal, vol. 86 ,1937, s. 217 [2] V.Rubin,Bright Galaxies Dark Matters (Masters of Modern Physics), AIP Press, 1996, [3] M.Milgrom,A Modification of the newtonian Dynamics as a Possible Alternativeto the Hidden Mass Hypothesis,Astrophys Journ.,270(2),1983,s.365[4] M. Milgrom, Does Dark Matter Really Exist?, Scientific American Aug. 2002, 42-50, 52.[5] E.G. Adelberger, Sub-millimeter tests of the gravitational inverse-square law,” Phys. Rev. D 70, 2004
No modern scientist comes close to Einstein's moral as well as scientific stature (John Horgan)
Nowości od blogera
Inne tematy w dziale Kultura
