Jacek Jaśtal: Ciemna masa

Tekst ukazał się w „Filozofuj!” 2022 nr 1 (43), s. 43–45. W pełnej wersji graficznej jest dostępny w pliku PDF.

Czym jest ciemna materia? Czy naprawdę musimy wierzyć w jej istnienie, czy też jest ona jedynie wymysłem uczonych obdarzonych nadmierną wyobraźnią? […] Za istnieniem tej dziwnej substancji przemawia nie jeden, nie dwa, ale wiele różnych wniosków obserwacyjnych, i wszystkie one wskazują na konieczność istnienia materii o takich samych właściwościach: musi to być substancja, która ani nie pochłania, ani nie emituje światła, ale oddziałuje grawitacyjnie i sama jest podatna na działanie siły grawitacyjnej, a w dodatku jest jej około sześciu razy więcej niż wszystkich zwyczajnych pierwiastków chemicznych, z których jesteśmy zbudowani my, Ziemia i gwiazdy.

J.P. Ostriker, S. Mitton, Jądro ciemności. Ciemna materia, ciemna energia i niewidzialny wszechświat

Postęp nauki dokonuje się bardzo różnymi drogami. Niekiedy najpierw jest nowatorska teoria matematyczna, która „coś” przewiduje. Kiedy wreszcie uda się to „coś” zaobserwować, teoretycy święcą triumf. Ci z innowatorów, którzy mają szczęście, by żyć dość długo, dostaną może nawet Nagrodę Nobla. Peter Higgs na to wyróżnienie czekał 49 lat – tyle czasu zabrało doświadczalne zweryfikowanie matematycznych tez, z których wynikało istnienie cząstki nazwanej jego imieniem.

Koncepcja ciemnej materii przebijała się na naukowe salony inaczej: najpierw była obserwacja. Być może jednak lepiej powiedzieć, że była to pewna złożona matematycznie interpretacja obserwacji, co znacznie łagodzi ostrą granicę pomiędzy teorią a empirią. Pozostaje mimo to faktem, że powszechnie znana i akceptowana teoria fizyczna, którą stosuje się do ciemnej materii (mechanika klasyczna i prawo powszechnego ciążenia Isaaca Newtona), do wyliczonych wyników niektórych obserwacji zupełnie nie pasowała.

Pierwszym, który to zauważył, był pracujący w USA szwajcarski astronom Fritz Zwicky, który obserwował ruch gromady galaktyk zwanej Warkoczem Bereniki. Gromada ta zdaje się zupełnie ignorować zasady dynamiki Newtona i wiruje z prędkościami, przy których dawno powinna się rozlecieć – odpowiadająca widocznej masie siła grawitacyjna jest zdecydowanie zbyt mała, by zrównoważyć działanie sił odśrodkowych. W latach 30. XX w. Zwicky opublikował dwa artykuły, w których oszacował zaproponowanymi przez siebie metodami masy kilku galaktyk z Warkocza Bereniki. Otrzymany wynik był olbrzymim zaskoczeniem: typowa masa galaktyki okazała się około sto razy większa niż dotychczas szacowano na podstawie emisji światła. Przyjęcie istnienia tej dodatkowej masy pozwoliło astronomowi na wyjaśnienie ruchu obserwowanych galaktyk zgodnie z prawami Newtona. Ową brakującą, zupełnie niewidoczną masę Zwicky określił jako dunkle Materie i tak już pozostało.

W tym samym okresie inny astronom, Horace Welcome Babcock, oszacował w swoim doktoracie masę Galaktyki Andromedy. Z rachunków wynikało, że na obrzeżach tej galaktyki musi znajdować się dodatkowy obiekt o masie znacznej wielkości, co korespondowało z wynikami Zwicky’ego. Niestety, jak to często bywa w nauce, ustalenia obu astronomów nikogo nie zainteresowały i na długie lata popadły w zapomnienie. Niewykluczone, że miała na to wpływ etykieta wielkiego ekscentryka, która przylgnęła do Zwicky’ego – po prostu nikt nie wziął na poważnie jego dziwacznej propozycji.

Temat ciemnej materii powrócił pod koniec lat 70. XX w., czego powodem były nowe obserwacje kolejnych galaktyk, w tym Drogi Mlecznej. Badacze bezwiednie po raz wtóry odtworzyli rozumowanie Zwicky’ego i Babcocka. Pierwszy z nich już wtedy nie żył (zmarł w 1974 r.), a drugi pozostawał na tyle anonimową postacią, że na jednej z konferencji na dowód, że „ktoś to już zrobił”, musiał pokazywać prelegentom oryginał swojego doktoratu sprzed prawie 40 lat. Nowe obserwacje pozwoliły na sprecyzowanie wniosków na temat położenia ciemnej materii: musi się ona znajdować w tzw. halo na obrzeżach galaktyk, które jest około 10 razy cięższe niż suma masy gwiazd i ciemnej materii wewnątrz. Uświadomiono sobie także konsekwencje tych ustaleń: cały Wszechświat musi być znacznie cięższy, niż do tej pory zakładano, co może rzutować na jego historię i dalszy rozwój.

Od mniej więcej trzech dekad istnienie ciemnej materii jest w nauce powszechnie akceptowane, żadne konkurencyjne wyjaśnienie nie przeszło też prób falsyfikacji. Pojawił się jednak inny problem: jakiego rodzaju cząstki ją tworzą? Bardzo zasłużeni dla tych badań Jeremiah P. Ostriker i Simon Mitton piszą wprost: „nie mamy pojęcia!”. Nie oznacza to jednak, że nie zaproponowano licznych hipotez. By je rozważyć, trzeba jednak opuścić fizykę Newtona i przejść na teren fizyki kwantowej.

Jedną z najnowszych propozycji jest sugestia, że ciemną materię tworzą hipotetyczne cząstki zwane neutralino, które odpowiadać mają za dziwne, niezgodne z modelem standardowym, właściwości mionów (nietrwałych cząsteczek elementarnych należących do leptonów). Właściwości te badane są w jednym z licznych programów badawczych zwanym „Muon g‑2”. Jego działanie świetnie obrazuje złożoność całego wysiłku poznawczego kryjącego się za rozwojem współczesnej nauki.

Marcela Carena, opisując w popularnym tekście zawiłości badań nad mionami (Ukryty wszechświat, „Świat Nauki – Scientific American”, nr 11, XI 2021), co rusz odwołuje się do metodologii badań i czyni liczne zastrzeżenia. Początkowo „zebrane dane wystarczyły do stwierdzenia odchylenia od Modelu Standardowego jedynie na poziomie ufności 3 sigma, czyli o wiele niższym niż próg 5 sigma wymagany przez fizyków do uznania faktu za «odkrycie»”. Wspomniany wynik udało się jednak poprawić kilkuset zaangażowanym w program fizykom po około 20 latach pracy. „Ale obliczenia wciąż nie są absolutnie pewne”, a w części teoretycznej „są zbyt skomplikowane, aby uzyskać ścisłe rozwiązanie”. Co więcej, jedna z grup badawczych uzyskała wyniki zaprzeczające istnieniu dodatkowych cząstek. Jeśli jednak „rozbieżności pomiędzy wynikami pomiarów a teorią nie znikną, to może okazać się, że przed nami majaczy nieznany świat nowych sił, nowych symetrii i nowych cząstek”. Bezpośrednio po opublikowaniu wyników badań eksperymentalnych pojawiło się na forach naukowych ponad sto różnych ich interpretacji:

Teoretycy są w stanie wymyślić scenariusze, w których nowe cząstki i oddziaływania tłumaczą nie tylko niezwykłą procesję mionów, ale i inne zagadki, jak ciemna materia, a być może również dominacja materii nad antymaterią.

Cień niepewności po stronie teorii powinien zniknąć w nadchodzących latach, kiedy obliczenia sieciowe z wykorzystaniem najpotężniejszych na świecie superkomputerów osiągną większą precyzję.

Wtedy

jeśli utrzyma się istotna rozbieżność pomiędzy przewidywaniami [Modelu Standardowego] a wynikami eksperymentu, podstawy fizyki doznają wstrząsu.

Filozofia, a następnie cała nasza nauka, wyrosła z aktu wiary Talesa z Miletu: świat nie tylko rządzi się stałymi zasadami, ale zasady te są poznawalne dla istot takich jak my. Czy tak jest w istocie? A może doszliśmy już do granic naszego poznania? Może nie jesteśmy już w stanie koordynować zbiorowego wysiłku intelektualnego niezbędnego do dokonania naukowego postępu? Może zbliżamy się już do granic wyznaczonych przez indywidualne zdolności rozumienia kolejnych komplikacji, a nasze teoretyczne konstrukty z jakiegoś niepoznawalnego dla nas powodu nie odnoszą się już do rzeczywistości? Część fizyków (o czym świadczy dyskusja nad książką Sabine Hossenfelder Zagubione w matematyce. Fizyka w pułapce piękna) zaczyna traktować to jako hipotezę nie bardziej ekscentryczną niż wnioski Zwicky’ego z lat 30. Być może z punktu widzenia jakiegoś kosmicznego obserwatora jesteśmy jednak dość „ciemną masą” i tak już pozostanie.

Jacek Jaśtal – dr hab. filozofii, pracuje na Politechnice Krakowskiej. Zajmuje się metaetyką oraz historią etyki i moralności. Wolne chwile poświęca na czytanie książek historycznych oraz słuchanie muzyki operowej. Pasjonat długodystansowych wypraw rowerowych.