Fizika stalno otkriva (neke odgovore, ali još više pitanja)

U fizici se mnogo toga otkrilo, čak je bilo trenutaka kada se mislilo da se više ništa ne može otkriti. Nismo daleko od doba kada je Lord Kelvin, krajem 19. vijeka, rekao da u fizici postoje još samo dva mutna mjesta, dva oblačka nad kompletiranjem enigme, a to su pitanje brzine svjetlosti u odnosu na etar i zračenje crnog tijela. Iz prvog “oblačka” nastala je teorija relativnosti, a iz drugog kvantna mehanika.

Ne znamo šta je 95% svemira

Problem je to što su naučnici mišljenja da svijet, kakvog ga mi znamo, čini tek nešto manje od 5% Kosmosa. Ostalih 95% čine nešto što su nazvali „tamna energija“ (oko 68%) i „tamna materija“ (oko 27%). Drugim riječima, mi ne znamo ništa o 95% svemira.

                                                     

Slika 1. Sastav Kosmosa

Šta je to tamna materija?

Problem je što ni naučnici ne znaju, ali znaju da postoji određena anomalija, određen “višak mase” bolje rečeno “višak materije” u svemiru, čije porijeklo nije jasno. To je trenutno jedno od najvećih pitanja fizike u svijetu. Ne postoji trenutni problem od veće važnosti za kosmologiju i naravno fiziku od problema tamne materije. Tamna materija ne apsorbuje, ne reflektuje i ne emituje svjetlost, pa se ne može detektovati posmatranjem elektromagnetnog zračenja. To je materijal koji se ne može direktno vidjeti. U suštini nije tamna, samo je ne možemo uočiti i mjeriti onako kako to inače radimo, pomoću svjetla i elektromagnetnog zračenja. Naučnici trenutno smatraju da je čine određene egzotične čestice, ali nije jasno koje i koja svojstva tačno imaju. Zbog manjka znanja o tome tamna materija spada u hipotetičke pojmove.

Slika 2. Tamna materija vlada kosmosom https://esahubble.org/images/heic0512d/

Istorija istraživanja tamne materije: Fritz Zwicky i Vera Rubin

Prošlo je tačno 91 godina otkako je Fritz Zwicky prvi put postavio teoremu o postojanju te nevidljive materije, a naučnici i danas o njoj mogu reći tek šta to tamna materija nije. Zwicky je te 1933. godine pokušao izračunati masu galaksija unutar galaktičkog jata zvanog Koma i dobio rezultat koji je bio oko 400 puta veći nego što bi se moglo očekivati. Tri godine kasnije, jedan od Zwickyjevih kolega, Sinclair Smith, ponovio je analizu za drugo galaktičko jato, poznato pod nazivom Djevica i, takođe, dobio anomalije u rezultatu. Ove anomalije u proračunu mase galaksija u odnosu na masu koju vidimo moguće je objasniti jedino postojanjem neke čudne, nevidljive, i nama nepoznate materije, koja je, u skladu sa svojom misterioznošću, dobila naziv „tamna materija“. Vera Rubin je bila jedan od prvih pionira istraživača rotacije spiralnih galaksija koja je potvrdila postojanje nepoznate nevidljive materije. Zapravo njena istraživanja su i dovela do stvaranja teorija o postojanja tamne materije. Još nam je i Kepler otkrio što su planete u Sunčevom sistemu udaljenije od Sunca, to se sporije okreću što se može i izračunati primjenom njegovih i Njutnovih zakona klasične mehanike. U skladu sa tim, Vera je očekivala da se zvijezde u Andromedinoj galaksiji okreću sporije. Međutim, uočila je da to nije tako. Brzina okretanja zvijezda je ista, bez obzira na njihovu udaljenost od središta galaksije. Zašto pravilo koje važi unutar Sunčevog sistema, ne bi vladalo u čitavoj galaksiji? Da li je Njutnova teorija podložna promjenama kad se proučava veći prostor u svemiru ili možda treba pronaći dodatnu, izuzetno tešku materiju koja stvara potrebnu gravitaciju, što bi nam razjasnilo ovu misteriju? Nesigurna Vera se nije usudila suprotstaviti velikom Njutnu, pa je odabrala drugo rješenje. Ona je izložila pretpostavku o postojanju skrivene mase, zahvaljujući kojoj se, sve zvijezde okreću istom brzinom, a da pri tome ne odlutaju u svemir.

Slika 3. Vera Rubin

Tamna materija “drži” galaksije

Dakle, ova tamna materija nije nikakav oblik materije kakvu znamo, niti je u pitanju antimaterija.  Nauka je tek zagrebala problematiku tamne materije, a o problematici tamne energije se zna još manje. Ljude zanima kako je moguće da nešto čini 27% materijalnog svemira, a da to „nešto“ nije moguće detektovati. O njenom postojanju saznajemo samo indirektno – proučavajući njene gravitacijske efekte u svemiru. Na primjer, galaksije rotiraju velikim brzinama, zapravo, toliko brzo da bi se trebale raspasti. Međutim, one se ne raspadaju što znači da posjeduju neku dodatnu masu koja im daje dodatnu gravitaciju, koja ih drži. Naučna zajednica prihvata postojanje tamne materije, u smislu “ima tamo nešto”, ali manjina naučnika, zaintrigirana specifičnim opažanjima koja nisu dobro objašnjena običnom tamnom materijom, zagovara različite modifikacije standardnih zakona opšte teorije relativnosti. Odnosno, oni smatraju kako tamna materija nije sačinjena od nekih čestica koje još ne znamo nego se radi o nekoj anomaliji gravitacije i teorije relativnosti. Ove druge teorije uključuju modifikovanu Njutnovu dinamiku, tenzor–vektor–skalarnu gravitaciju ili entropijsku gravitaciju. Do sada nijedna od predloženih modifikovanih teorija gravitacije ne može uspješno opisati svaki dio dokaza posmatranja u isto vrijeme. Problem tamne materije, ilustruje koliko zapravo ne znamo o nekim stvarima i koliko odgovori na neka stara pitanja otvaraju nova pitanja. Da li će se za vrijeme našeg života, u narednih 50 do 70 godina raščistiti šta to tamna materija jeste i nije, je veliko pitanje. U svakom slučaju tema je dovoljno interesantna ne samo naučnicima već i svima ostalima pa je vrijedi pratiti.

Od 2017. u svijetu se obilježava i Svjetski dan tamne materije i to 31. Oktobra.

Paralelno s istraživanjem tamne materije, naučnici proučavaju tamnu energiju koja, prema savremenim modelima, čini veći deo ukupne energije u univerzumu. Tamna energija se smatra odgovornom za ubrzanu ekspanziju svemira. Njeno dejstvo otkriveno je putem opservacija dalekih supernova i studija kosmičkog mikrotalasnog pozadinskog zračenja. Međutim, priroda tamne energije ostaje vrlo nejasna, sa spekulacijama o postojanju neke nove forme energije ili modifikaciji teorije gravitacije.

Istraživanje tamne materije i tamne energije nije samo akademski poduhvat, već nosi i dublje implikacije za naše razumijevanje fundamentalnih zakona prirode. Pronalaženje odgovora na pitanje šta čini tamnu materiju i tamnu energiju omogućilo bi nam da dublje prodremo u tajne univerzuma i razumijemo strukturu prostora-vremena na najosnovnijem nivou.

Istraživanje tamne materije i tamne energije predstavlja jedan od najuzbudljivijih izazova savremene fizike. Naučnici iz različitih disciplina rade zajedno kako bi rasvijetlili ove tamne uglove svemira. Kroz eksperimente, simulacije i analize, otvaramo vrata ka potpuno novom razumijevanju prirode stvarnosti i postavljamo temelje za buduće generacije koje će, nadamo se, otkriti odgovore na ova neistražena pitanja svemira.

Mihaela Topić