Tadeusz Pabjan & Copernicus Center Press, Projekt okładki Mariusz Banachowicz. Adiustacja i korekta Maria Szumska

Podobne dokumenty
Ekspansja Wszechświata

Podróż do początków Wszechświata: czyli czym zajmujemy się w laboratorium CERN

Spis treści. Przedmowa PRZESTRZEŃ I CZAS W FIZYCE NEWTONOWSKIEJ ORAZ SZCZEGÓLNEJ TEORII. 1 Grawitacja 3. 2 Geometria jako fizyka 14

Szczegółowe wymagania edukacyjne na poszczególne oceny śródroczne i roczne z przedmiotu: FIZYKA. Nauczyciel przedmiotu: Marzena Kozłowska

Wszechświat Cząstek Elementarnych dla Humanistów Ciemna Strona Wszechświata

Soczewki grawitacyjne narzędziem Kosmologii

Zderzenie galaktyki Andromedy z Drogą Mleczną

Ciemna materia i ciemna energia. Andrzej Oleś

10.V Polecam - The Dark Universe by R. Kolb (Wykłady w CERN (2008))

Po co wymyślono ciemną materię i ciemną energię. Artykuł pobrano ze strony eioba.pl

Bozon Higgsa prawda czy kolejny fakt prasowy?

Polecam - The Dark Universe by R. Kolb (Wykłady w CERN (2008))

K o n cep cje filo zo fii przyrody

Liceum dla Dorosłych semestr 1 FIZYKA MAŁGORZATA OLĘDZKA

PROJEKT KOSMOLOGIA PROJEKT KOSMOLOGIA. Aleksander Gendarz Mateusz Łukasik Paweł Stolorz

Wszechświat czastek elementarnych

Wszechświat Cząstek Elementarnych dla Humanistów Ciemna strona wszechświata

oraz Początek i kres

Wszechświata. Piotr Traczyk. IPJ Warszawa

Wszechświat: spis inwentarza. Typy obiektów Rozmieszczenie w przestrzeni Symetrie

Oddziaływanie podstawowe rodzaj oddziaływania występującego w przyrodzie i nie dającego sprowadzić się do innych oddziaływań.

Lutowe niebo. Wszechświat Kopernika, De revolutinibus, 1566 r.

Oddziaływania fundamentalne

Czarna dziura obszar czasoprzestrzeni, którego, z uwagi na wpływ grawitacji, nic, łącznie ze światłem, nie może opuścić.

Ewolucja galaktyk. Agnieszka Pollo Instytut Problemów Jądrowych Warszawa Obserwatorium Astronomiczne UJ Kraków

Czy niebarionowa ciemna materia. jest potrzebna? Sławomir Stachniewicz 1 XII 2009

Modele i teorie w kosmologii współczesnej przykładem efektywnego wyjaśniania w nauce

Kto nie zda egzaminu testowego (nie uzyska oceny dostatecznej), będzie zdawał poprawkowy. Reinhard Kulessa 1

POJECIE BYTU I NICOŚCI W TEORII KWANTOWEJ A

Wpływ pól magnetycznych na rotację materii w galaktykach spiralnych. Joanna Jałocha-Bratek, IFJ PAN

Wielcy rewolucjoniści nauki

Cząstki elementarne wprowadzenie. Krzysztof Turzyński Wydział Fizyki Uniwersytet Warszawski

Teoria Wielkiego Wybuchu FIZYKA 3 MICHAŁ MARZANTOWICZ

Czy da się zastosować teorię względności do celów praktycznych?

Galaktyka. Rysunek: Pas Drogi Mlecznej

Kauzalna teoria czasu Henryka Mehlberga

Można Kraussa też ujrzeć w video debacie z teologiem filozofem Williamem Lane Craigiem pod tytułem Does Science Bury God (Czy nauka grzebie boga ).

Z czego i jak zbudowany jest Wszechświat? Jak powstał? Jak się zmienia?

Soczewkowanie grawitacyjne

Ciemna materia w sferoidalnych galaktykach karłowatych. Ewa L. Łokas Centrum Astronomiczne PAN, Warszawa

Dr Tomasz Płazak. CIEMNA ENERGIA DOMINUJĄCA WSZECHŚWIAT (Nagroda Nobla 2011)

Kinematyka relatywistyczna

Nazwa metodologia nauki etymologicznie i dosłownie znaczy tyle, co nauka o metodach badań.

Filozofia przyrody, Wykład V - Filozofia Arystotelesa

[C [ Z.. 1 ]

Elementy astronomii w nauczaniu przyrody. dr Krzysztof Rochowicz Zakład Dydaktyki Fizyki UMK 2011

Szczegółowy program właściwy dla standardowej ścieżki kształcenia na kierunku astronomia. Semestr I Egzamin Egzamin 75 2.

Soczewki Grawitacyjne

GRAWITACJA I ELEMENTY ASTRONOMII

Czarne dziury. Grażyna Karmeluk

Podstawy fizyki: Budowa materii. Podstawy fizyki: Mechanika MS. Podstawy fizyki: Mechanika MT. Podstawy astronomii. Analiza matematyczna I, II MT

3. Zasady moralne są obiektywnie prawdziwe. Musi istnieć ich stwórca. Jest nim bóg.

Fizyka 3. Konsultacje: p. 329, Mechatronika

Metody wyznaczania masy Drogi Mlecznej

UWAGI O ROZUMIENIU CZASU I PRZESTRZENI

Recenzje. Martin Rees, Nasz kosmiczny dom, przekł. P. Rączka, Prószyński i S-ka, Warszawa 2006, s. 196.

Kinematyka relatywistyczna

LHC i po co nam On. Piotr Traczyk CERN

Kosmologia. Elementy fizyki czastek elementarnych. Wykład IX. Prawo Hubbla

Kto nie zda egzaminu (nie uzyska oceny dostatecznej), będzie zdawał testowy egzamin poprawkowy Reinhard Kulessa 1

Podstawy astrofizyki i astronomii

LHC: program fizyczny

O kłopotliwym problemie brakującej masy

WYNIKI ANKIETY PRZEPROWADZONEJ WŚRÓD UCZESTNIKÓW WARSZTATÓW W DNIACH

Spór o poznawalność świata

Filozofia, Pedagogika, Wykład III - Filozofia archaiczna

Podstawy fizyki wykład 9

Wykłady z Fizyki. Grawitacja

Droga do obliczenia stałej struktury subtelnej.

Tak określił mechanikę kwantową laureat nagrody Nobla Ryszard Feynman ( ) mechanika kwantowa opisuje naturę w sposób prawdziwy, jako absurd.

Uogólniony model układu planetarnego

Symetrie w fizyce cząstek elementarnych

Ciemna materia. Paweł F. Góra Instytut Fizyki UJ

Nasza Galaktyka

Wkład Polaków w rozwój współczesnej cywilizacji...

Spis treści. Wstęp Rozdział I Systemy polityczne problemy ogólne Rozdział II Historyczne systemy polityczne. Rewolucje demokratyczne..

DYNAMIKA dr Mikolaj Szopa

Rodzaje argumentów za istnieniem Boga

Cząstki i siły. Piotr Traczyk. IPJ Warszawa

O p i s p r o c e s u p r o w a d z ą c e g o d o u z y s k a n i a e f e k t ó w u c z e n i a s i ę

Teoria grawitacji. Grzegorz Hoppe (PhD)

166 Wstęp do statystyki matematycznej

NIE FAŁSZOWAĆ FIZYKI!

Uniwersytet Mikołaja Kopernika Toruń 6 XII 2013 W POSZUKIWANIU ŚLADÓW NASZYCH PRAPOCZĄTKÓW

Spis treści. Tom 1 Przedmowa do wydania polskiego 13. Przedmowa 15. Wstęp 19

NIEPRZEWIDYWALNY WSZECHŚWIAT

Przeszłość i perspektywy protofizyki

Astronomia. Znając przyspieszenie grawitacyjne planety (ciała), obliczyć możemy ciężar ciała drugiego.

Podstawy fizyki sezon 1 VII. Pole grawitacyjne*

ISBN Redaktor merytoryczny: Jadwiga Salach. Redaktor inicjujący: Anna Warchoł, Barbara Sagnowska

CZAS I PRZESTRZEŃ EINSTEINA. Szczególna teoria względności. Spotkanie II ( marzec/kwiecień, 2013) ZADANIA

Ewolucja Wszechświata

REDEFINICJA SI W ROLACH GŁÓWNYCH: STAŁE PODSTAWOWE

Filozofia, Historia, Wykład V - Filozofia Arystotelesa

NOWA TEORIA INDETERMINISTYCZNEGO ŚWIATA

W poszukiwaniu nowej Ziemi. Andrzej Udalski Obserwatorium Astronomiczne Uniwersytetu Warszawskiego

Autorzy: Daria Andrzejak Paulina Rojewska Opiekun: Anna Stachowiak. Milena Dopierała

Grawitacja. Fizyka zjawisk grawitacyjnych jest zatem nauką mającą dwa obszary odgrywa ważną rolę zarówno w zakresie największych, jak i najmniejszych

To ciała niebieskie o średnicach większych niż 1000 km, obiegające gwiazdę i nie mające własnych źródeł energii promienistej, widoczne dzięki

Transkrypt:

Tadeusz Pabjan & Copernicus Center Press, 2014 Projekt okładki Mariusz Banachowicz Adiustacja i korekta Maria Szumska Projekt typograficzny Mirosław Krzyszkowski Skład MELES-DESIGN ISBN 978-83-7886-067-9 ISBN 978-83-7886-076-1 (e-book) Wydanie I Kraków 2014 Wydawca: Copernicus Center Press Sp. z o.o. pl. Szczepański 8, 31-011 Kraków tel/fax (+48) 12 430 63 00 e-mail: marketing@ccpress.pl www.ccpress.pl

Spis treści 1. Wstęp... 7 2. Prehistoria zagadnienia.... 15 3. Płaskie krzywe rotacji.... 31 4. Galaktyczne halo.... 43 5. Lokalna i globalna ciemna materia.... 53 6. Soczewkowanie grawitacyjne.... 67 7. Zmodyfikowana dynamika Newtonowska.... 81 8. Parametr Ω... 91 9. Ciemna energia.... 99 10. Przyspieszenie ekspansji wszechświata.... 107 11. Stała kosmologiczna czy kwintesencja?.... 113 12. Ciemna energia a niejednorodne modele kosmologiczne.... 123 13. Ciemna materia a struktury wielkoskalowe wszechświata... 137 14. Kandydaci: barionowa ciemna materia.... 153 15. Kandydaci: egzotyczna ciemna materia.... 163 Neutrina... 167 Aksjony.... 174 WIMP-y... 178 Cząstki supersymetryczne.... 186 Neutrina sterylne.... 190 16. Ciąg dalszy nastąpi.... 193 Bibliografia.... 203 Indeks nazwisk.... 231 Indeks rzeczowy.... 239

1. Wstęp Istnieje ciekawa zbieżność pomiędzy tym, co działo się w fizyce pod koniec XIX i pod koniec XX wieku. Fizycy żyjący w ostatnich latach XIX stulecia sądzili, że uprawiana przez nich dyscyplina jest najbardziej kompletną ze wszystkich nauk ścisłych i że jedyne, co jej adeptom pozostało jeszcze do zrobienia, to zwiększanie precyzji pomiarów w celu dokładniejszego określenia wartości parametrów fizycznych na odległych miejscach po przecinku. W rzeczywistości jednak prawdziwa rewolucja naukowa miała dopiero nadejść. Pozornie nieistotne anomalie kompletnej fizyki końca XIX wieku doprowadziły do tego, że w pierwszych latach wieku XX na arenie nauki pojawiły się teoria względności i mechanika kwantowa, które radykalnie zmieniły naukowy obraz świata i które dowiodły, że wcześniejsze opinie dotyczące zupełności nauki były naiwne i wyjątkowo krótkowzroczne. Epizod ten stanowi dobrą ilustrację mechanizmu prowadzącego do zmiany albo przynajmniej do zasadniczej rewizji obowiązującego paradygmatu naukowego. Jednym z paradoksalnych elementów tego mechanizmu jest najpierw przekonanie, że dany obszar wiedzy wymaga już tylko kosmetycznych poprawek, a później zdziwienie spowodowane tym, że kosmetyczne poprawki zamieniają się w gruntową przebudowę całego systemu.

8 Niedomknięty bilans wszechświata Historia lubi się powtarzać, i nic dziwnego, że koniec wieku XX przyniósł bardzo podobną sytuację. Co prawda, fizycy, nauczeni doświadczeniem przeszłości, nie podzielali optymizmu swoich kolegów sprzed stulecia, wierzących w to, że w ich dyscyplinie nie ma już nic do zrobienia wręcz przeciwnie: zwłaszcza druga połowa XX wieku była naznaczona świadomością, że fizyka domaga się pilnego uzupełnienia o teorię kwantowej grawitacji ale nie mieli większych wątpliwości, że przynajmniej najważniejsze aspekty naukowego obrazu świata, zbudowanego na fundamencie teorii względności i mechaniki kwantowej, są zasadniczo poprawne. Okazało się, że jest inaczej i że błąd tkwi w miejscu, które wydawało się najmniej podatne na pomyłki. Bo czy może być coś bardziej oczywistego niż to, że wszechświat zbudowany jest z materii dobrze znanej zarówno z doświadczenia potocznego, jak i ściśle naukowego i że ilość tej materii (jej masę) można przynajmniej z grubsza oszacować, dodając do siebie masy wszystkich wypełniających wszechświat obiektów, to znaczy gwiazd, planet, galaktyk, gazu międzygalaktycznego itp.? Założenie to wydawało się tak naturalne i oczywiste, że przez długi czas w ogóle o nim nie wspominano, nie mówiąc już o jego uzasadnianiu. W latach 70. XX wieku zaczęły się jednakże pojawiać coraz liczniejsze argumenty za tym, że materia, którą widać gołym okiem (ewentualnie okiem uzbrojonym w różnego rodzaju urządzenia pomiarowe, takie jak teleskopy i radioteleskopy), to tylko wierzchołek góry lodowej i że wszechświat zbudowany jest w większej części z czegoś, co nie jest zwykłą materią. Okazało się, że całkowita masa wszechświata wielokrotnie przewyższa tę wynikającą z prostego sumowania mas wszystkich znanych z astronomii i kosmologii obiektów; to zaś

1. Wstęp 9 oznacza, że musi gdzieś istnieć dodatkowa, niezidentyfikowana do tej pory materia, która daje swój wkład do całkowitej masy wszechświata. Właśnie w taki sposób zrodził się problem brakującej masy, który na początku lat 80. ubiegłego wieku trafił na jedno z czołowych miejsc na liście zagadnień naukowych domagających się pilnego wyjaśnienia. Niestety, wyjaśnienia tego do dzisiaj nie znaleziono. Na kartach tej książki zostaną przedstawione najważniejsze epizody składające się na historię problemu brakującej masy. Poszukiwaniem jego rozwiązania zajmują się przedstawiciele kilku odrębnych dyscyplin naukowych między innymi astronomii, astrofizyki, kosmologii relatywistycznej i fizyki cząstek elementarnych. Będzie to zatem książka ukazująca nie tyle historię jednej wybranej dyscypliny, ile raczej historię problemu, który połączył z sobą wiele różnych choć oczywiście spokrewnionych dyscyplin naukowych. Zagadnienie to zostało powyżej nazwane problemem brakującej masy, ale w tym kontekście o wiele częściej pojawia się dziś określenie, które w rzeczywistości zawiera już przynajmniej częściową odpowiedź na pytanie o to, co tworzy brakującą masę: ciemna materia. Pod tym pojęciem kryje się jedna z najbardziej frapujących i zarazem tajemniczych zagadek współczesnej nauki. Jest to materia ciemna, dlatego że nie można jej bezpośrednio zaobserwować za pomocą standardowych metod stosowanych w astronomii, a jej tajemniczość bierze się w dużej mierze stąd, że nie jest ona zbudowana z cząstek znanych współczesnej fizyce. Dodatkowo jest niemal całkowicie bezkolizyjna może bez żadnych problemów przenikać przez nawet największe skupiska zwykłej materii, a o swoim istnieniu daje znać przede wszystkim przez oddziaływanie grawitacyjne. Chociaż może być

10 Niedomknięty bilans wszechświata zbudowana z barionów, to jednak w większej części jest to materia egzotyczna, czyli niebarionowa jej budulcem są bliżej nieznane, masywne cząstki, których od wielu lat bezskutecznie poszukują fizycy. Trudności z empirycznym potwierdzeniem istnienia tych cząstek z jednej strony sprawiają, że problem brakującej masy staje się jeszcze ciekawszy, z drugiej zaś stawiają poprawność samej idei ciemnej materii pod coraz większym znakiem zapytania. Kłopot polega jednak na tym, że na horyzoncie nie widać żadnego innego sposobu rozwiązania problemu brakującej masy, jeśli nie liczyć skądinąd kontrowersyjnego pomysłu dotyczącego daleko posuniętych modyfikacji fizyki klasycznej albo odrzucenia założeń (np. zasady kosmologicznej) przyjmowanych do tej pory przy konstruowaniu modeli kosmologicznych. Za obecnością ciemnej materii przemawia kilka niezależnych racji, które zostaną szczegółowo zaprezentowane w kolejnych rozdziałach książki. Pierwszy argument dotyczy zbyt dużych prędkości ruchu galaktyk w gromadach oraz zbyt dużych prędkości gwiazd i obłoków gazu w galaktykach spiralnych. W obydwu przypadkach należy uwzględnić dodatkową, niewidoczną masę, która decyduje o takich prędkościach. Kolejne argumenty wiążą się z efektem soczewkowania grawitacyjnego, a także niezwykle wysokim stosunkiem masy do światła w niektórych galaktykach zwłaszcza w galaktykach karłowatych krążących wokół Drogi Mlecznej. Dla dyskutowanego problemu istotne znaczenie ma także parametr gęstości: wiele niezależnych racji przemawia za tym, że obecny wszechświat ma gęstość krytyczną, ale masa zwykłej materii nie wystarcza, by taką gęstość uzyskać (z najnowszych obserwacji przeprowadzonych przez satelitę Planck wynika, że wkład zwykłej materii

1. Wstęp 11 do parametru gęstości jest na poziomie 4,9%). Prawdziwa trudność polega jednak na tym, że nie wystarcza do tego również masa ciemnej materii zarówno barionowej, jak i niebarionowej (26,8% gęstości krytycznej). Poszukując rozwiązania problemu brakującej masy, należy zatem odwołać się do kolejnej zagadkowej koncepcji, to znaczy do ciemnej energii, która odpowiada za zaobserwowane w ostatnich latach przyspieszenie ekspansji wszechświata i która daje największy wkład (aż 68,3%) do parametru gęstości. Analiza argumentów przemawiających za koniecznością uwzględnienia ciemnej materii i ciemnej energii w globalnym bilansie masy wszechświata w sposób naturalny prowadzi do pytania o to, czym jest ciemna materia, to znaczy jakie obiekty albo jakie cząstki wchodzą w jej skład, i jaka jest jej natura. W poszukiwanie odpowiedzi na te pytania od wielu lat zaangażowane są całe zastępy astrofizyków, kosmologów, astronomów, specjalistów od fizyki cząstek i to zarówno teoretyków, jak i eksperymentatorów. Uczeni ci próbują ustalić listę potencjalnych kandydatów do roli barionowej i niebarionowej ciemnej materii i doświadczalnie sprawdzić, czy określone cząstki faktycznie istnieją. Nieco innych trudności przysparza ciemna energia: w tym przypadku należy ustalić, czym w rzeczywistości jest ten składnik wszechświata, jaką ma naturę czy jest niezmienny w przestrzeni i czasie, czy też ulega jakimś zmianom i w jaki sposób wpływa na ewolucję czasoprzestrzeni. W roku 1999 amerykańska Narodowa Rada Badań Naukowych uznała obydwa te zagadnienia za dwa najbardziej palące problemy współczesnej nauki, które pojawiają się na przecięciu astronomii i fizyki. Na pierwszym miejscu listy jedenastu najważniejszych kwestii, które nauka musi rozstrzygnąć w XXI wieku,

12 Niedomknięty bilans wszechświata znalazło się pytanie: Czym jest ciemna materia?, zaś na miejscu drugim Jaka jest natura ciemnej energii? 1. Wszystkie ważne problemy współczesnej nauki mają swoją historię, bez której nie da się w pełni zrozumieć, dlaczego akurat to, a nie inne zagadnienie stało się przedmiotem zainteresowania uczonych i w jaki sposób oraz w jakim zakresie zmieniło ono poglądy człowieka na budowę i funkcjonowanie wszechświata. Naukowe problemy żyją swoim życiem: rodzą się, dojrzewają, ewoluują, często dają początek innym problemom. Prawidłowość ta ma oczywiście zastosowanie również w wypadku problemu brakującej masy. I on jest wynikiem dostrzeżenia pewnych anomalii w fizyce wszechświata; przez długi czas rozwijał się na kilku niezależnych ścieżkach ewolucyjnych, by wreszcie zaistnieć jako osobne zagadnienie, które nie tylko zyskało nobilitujące miano ważnej kwestii naukowej, lecz także znalazło się na jednym z czołowych miejsc listy zagadnień o kluczowym znaczeniu dla fizyki XXI wieku. W poszczególnych rozdziałach książki historia tego problemu zostanie opowiedziana z zachowaniem chronologii zdarzeń, chociaż w kilku przypadkach przedstawienie osobnych wątków ją tworzących będzie wymagać pominięcia owego kryterium. Na polskim rynku wydawniczym pojawiło się w ostatnim czasie wiele książek, które w mniejszym lub większym stopniu nawiązują do problemu ciemnej materii albo nawet wprost są mu poświęcone. W większości tych opracowań pomija się jednak chronologię zdarzeń składających się na historię owego zagadnienia, poprzestając na uproszczonym, popularnonauko- 1 National Research Council of the National Academies, Connecting Quarks with the Cosmos: Eleven Science Questions for the New Century, National Academic Press, Washington 2003, s. 2.

1. Wstęp 13 wym wykładzie jego wybranych zwykle tylko najciekawszych i wcale nie najważniejszych aspektów. Trudno w nich również znaleźć usystematyzowane i w miarę aktualne informacje na temat obecnego stanu badań nad ciemną materią. Niniejsza książka nie rości sobie prawa do miana zaawansowanej, ściśle naukowej publikacji, która kwestię tę przedstawi w sposób wyczerpujący, ale z pewnością ukaże ją w nieco innym świetle niż inne tego typu opracowania. Niewykluczone, że lektura tej pozycji będzie wymagać od Czytelnika nieco większego wysiłku zamiast przykuwających uwagę anegdot i barwnych ciekawostek dotyczących pracy fizyków znajdują się tutaj jedynie suche fakty, a pozbawiona obszerniejszych komentarzy narracja przypomina podręcznik do historii nauki, a nie powieść przygodową ale czasem warto wybrać trudniejszy szlak prowadzący na szczyt, by zobaczyć to, czego nie widać z wygodnej ścieżki spacerowej wiodącej środkiem doliny. Jeśli książka ta pozwoli przynajmniej w niewielkim stopniu usystematyzować tę niezwykle bogatą i zarazem ważną dla całej współczesnej fizyki problematykę, to spełni swoje zadanie.