Ciemna masa - Świat nauki i techniki

Wydawało się, że o otaczającym nas świecie wiemy już wszystko, może prawie wszystko. Ale w historii nauki zdarzało się to nie raz.

Fizycy i matematycy pod koniec XVIII wieku znali zasady mechaniki, teorie grawitacji, potrafili przewidywać nie tylko poruszanie się obiektów na Ziemi, lecz wyznaczać ruchy ciał niebieskich i obliczać ich masę. Ale piorun był dla nich dziwnym zjawiskiem, czymś w rodzaju pocisku spadającego z chmur.
W następnym, XIV wieku mechaniką zajęli się inżynierowie a dla fizyków powstało ogromne pole do badania zjawisk elektrycznych. Okazało się, że zjawiska z dziedziny mechaniki, takie jak tarcie, spoistość materiałów, reakcje chemiczne pomiędzy substancjami i wiele innych, można wytłumaczyć oddziaływaniami elektrycznymi.

Umysł człowieka ma tę cechę, że potrafi przewidywać zdarzenia i sytuacje nigdy nieobserwowane. Maxwell opisał wzorami matematycznymi zjawisko fal radiowych, które odkryte i zaobserwowane zostały wiele lat później. Jestem pewny, że wielu dzisiejszych inżynierów projektujących radiostacje i telefony komórkowe nie rozumie tych wzorów – nie musi, gdyż obecnie jest wystarczająco dużo informacji zebranych w doświadczeniach.

Początkowo dziwiła zbieżność wyznaczonej teoretycznie szybkości fal radiowych z pomierzoną szybkością światła. Okazało się, że światło to też fale radiowe, że to pewien rodzaj drgań nawet w pustej przestrzeni – w próżni. Z tym już trudno było się pogodzić i fizycy przełomu XIX i XX wieku uważali, że przestrzeń wypełniona jest jakąś niewidoczną i bardzo lekką substancją – eterem, który przenosi te drgania. Do dzisiaj popularne są zwroty – „słuchamy audycji na falach eteru”.

Fizycy znowu wiedzieli „prawie wszystko”. Dziwiła ich tylko identyczna wielkość „masy”, raz wyznaczanej z prawa grawitacji a z drugiej strony, niezależnie, z praw mechaniki (bezwładność). Do dzisiaj nie można zrozumieć, dlaczego siła przyciągania grawitacyjnego (na przykład ziemskiego) jest dokładnie zależna od masy obiektu, od siły jaką trzeba zastosować do rozpędzania obiektu.
Niezmienność obserwowanej szybkości światła w całkowitej próżni doprowadziła Einsteina do zaskakujących wniosków. Znowu, tylko logiczne myślenie i matematyka doprowadziły do wniosku, że im szybciej porusza się jakiś obiekt, im więcej energii włożono do jego rozpędzenia, tym większy stawia opór do dalszego rozpędzania – przybiera jego masa. Nawet najlżejsze obiekty stają się tak ciężkie, że nie sposób je dalej rozpędzać. Prędkość światła nie może być przekroczona.

I odwrotnie, jeżeli obserwowana masa obiektu się zmniejsza, to odzyskuje się olbrzymią energię. Wtedy jeszcze nie wiedziano, że podczas rozpadu atomu, masa jego składników jest nieco mniejsza od masy oryginalnego atomu a wydzielona energia przerasta wszystkie ówczesne wyobrażenia. Doświadczenia potwierdzające te prawa natury przeprowadzono wiele lat później. Okazało się, że rzeczywiście, energia ma masę.

I znowu wykorzystanie tych zjawisk pozostawiono inżynierom, a fizycy zajęli się badaniem materii. Na jednym końcu obszaru naukowych dociekań był świat elementarnych cząsteczek, na drugim budowa Wszechświata.

Obserwując efekty przemian w atomach i reakcje pomiędzy najmniejszymi cegiełkami materii sformułowano wiele teorii i w końcu zgodzono się z tak zwanym Modelem Standardowym. Znane ze szkół wyjaśnienie budowy atomu (protony, neutrony, elektrony) zaproponowane przez Bohra jest już dla fizyków przedszkolem. Dla wyjaśnienia zjawisk w tym mikroświecie trzeba było nazwać wiele różnych, mniejszych cząsteczek – kwarki, leptony, gluony (sklejacze).
Ilość tych „podstawowych” składników materii jest tak duża, że tylko mała grupa fizyków rozumie współczesną teorię budowy materii. Teoria ta jest ciągle niepełna, gdyż nie zaobserwowano zjawisk, które powinny być wywoływane przez tak zwany bozon Higgsa. Bez jego istnienia cała konstrukcja Modelu Standardowego upada.

Na drugim końcu naukowych dociekań pracują astrofizycy. Dla nich wymiary Wszechświata powiększyły się kilkadziesiąt tysięcy razy w latach 30. XX wieku. Przekonano się wówczas, że kosmiczna mgła – zbiorowisko gwiazd nazywane Mleczną Drogą to nie cały Wszechświat, że takich zbiorowisk – galaktyk jest co najmniej kilkadziesiąt miliardów.

Początkowo przypuszczano, że miliardy gwiazd utrzymuje w galaktykach siła grawitacji, siła powszechnego ciążenia, zawiadująca ruchem planet w naszym bliskim otoczeniu. Prawa grawitacji sformułowane przez Newtona wydawały się niepodważalne. Uzupełniono te prawa wnioskami z Teorii Względności stwierdzającej, że energia też przyciąga grawitacyjnie (tego jednak nie daje się zaobserwować doświadczalnie) i że ruch przyspieszony jest równoważny siłom grawitacji.

Kłopot pojawił się, gdy zaczęto liczyć i „ważyć” gwiazdy w galaktykach. Okazało się, że suma masy wszystkich obserwowanych gwiazd jest około 200 razy za mała, aby utrzymać galaktyki w takim skupieniu, jakie się obserwuje. Z drugiej strony, łączna masa wszystkich galaktyk jest zbyt duża, aby Wszechświat tak szybko się rozszerzał, jak to obserwują astronomowie.
Z grawitacją coś nie tak. Nie chcąc podważać praw Newtona i Einsteina, fizycy „uzupełnili” Wszechświat o nowe składniki. Twierdzi się, że wewnątrz galaktyk jest jakaś dodatkowa, znacząca masa, lecz niewidoczna dla astronomów. Niektórzy próbowali sugerować, że są to niewidoczne gwiazdy, nieświecące, bo za małe, kule ściśniętego gazu, takie jak nasz Jowisz, Saturn czy Uran. Jednak gdyby to one tworzyły tę „ciemną masę”, to w naszej okolicy powinniśmy obserwować tysiące takich planet.

Inna grupa sugerowała, że to dodatkowe oddziaływanie grawitacyjne tworzą niewidoczne cząsteczki – neutrina, które przemieszczają się z szybkością światła. Jak się okazuje, miliardy takich cząsteczek w każdej sekundzie przeszywają nasze ciała (i całą Ziemię) nie pozostawiając śladu. Neutrina w końcu zaobserwowano i „zważono”, lecz są one za lekkie, by uzupełnić masę galaktyk do wielkości wymaganej prawami grawitacji.

Nie pozostało nic innego, jak twierdzić, że Wszechświat wypełnia jakaś substancja niewidoczna, bo nieświecąca i niepochłaniająca światła gwiazd. Jednocześnie substancja ta, mimo że jej masa przewyższa wielokrotnie masę gwiazd i planet, nie hamuje ruchu „normalnej” materii w Kosmosie. Słowem, powrócono do odrzuconej przed 100 laty koncepcji „eteru”.

Z drugiej strony, trzeba było wytłumaczyć rozszerzanie się Wszechświata. Ta dodatkowa „ciemna masa” powinna doprowadzić do szybkiego skupienia i zapadnięcia się wszystkich galaktyk. Trzeba było dodać coś, co przeciwdziała zapadaniu. Zaproponowano więc istnienie w przestrzeniach Kosmosu niewidocznej „ciemnej energii”, rozpychającej to, co grawitacja powinna skupiać. Taka energia błąka się w przestrzeniach Kosmosu, jest nią reliktowe promieniowanie mikrofalowe. Lecz ilość tego promieniowania jest miliony razy za mała, aby wywołać obserwowane efekty.

Tylko nieliczni fizycy po cichu sugerują – coś jest nie tak w prawach Newtona i równaniach Einsteina, świat jest inny niż się wydawało. Aby obserwować to, co dotychczas nie dało się zauważać, trzeba budować nowe instrumenty badawcze. Koszt budowy tych instrumentów proponowanych przez fizyków jest zawrotny.

Badania zjawisk atomowych prowadzone są od dawna w narodowych laboratoriach USA (Fermilab pod Chicago) i w Rosji (Dubna). Finansowanie tych badań zostało jednak zmniejszone, gdy wynikami przestało się interesować wojsko. Na czoło wysunął się Eur
opejski Ośrodek Badań Jądrowych CERN pod Genewą. Badanie te finansuje obecnie 20 państw, w tym Polska (ale nie Irlandia, nie państwa bałtyckie, nie państwa dawnej Jugosławii).

W kończącym się tygodniu wszystkie agencje prasowe doniosły o uruchomieniu najkosztowniejszego jak dotychczas instrumentu do badań atomowych – Wielkiego Zderzacza (zderzaka?) Hadronów. Projektowany od ponad 20 lat i budowany od kilkunastu lat kosztem 10 miliardów dolarów (potem Euro) akcelerator jest umieszczony w skalnym tunelu o średnicy około 4 metry (150 cali) i długości po obwodzie 27 kilometrów (17 mil). W tunelu umieszczono ponad 1600 magnesów o wadze kilkunastu ton każdy (nawet do 27 ton). Ilość zainstalowanych tam urządzeń trudno zliczyć.

Podobne, choć dużo większe urządzenie, projektowano zbudować w Teksasie. Gdy jednak na pytanie „jakich korzyści z tych badań można się spodziewać?” fizycy odpowiedzieli – nie wiadomo, amerykański projekt skasowano.
Najważniejszymi eksperymentami, prowadzonymi w europejskim CERN, będą zderzenia protonów rozpędzanych do energii 12 bilionów (po amerykańsku – trylionów) elektronowoltów. To energia przeogromna jak na małą cząsteczkę. Ale tak naprawdę znikoma. Setki tysięcy takich porcji energii potrzeba, aby ogrzać kroplę wody o jeden stopień.

Fizycy spodziewają się zaobserwować efekty wywołane powstaniem w tych warunkach tajemniczego bozonu Higgsa, który ponoć stworzył Wszechświat (zwanego też przez fizyków „cząsteczką Boga”). Mają też nadzieję, że dadzą o sobie znać składniki tej hipotetycznej „ciemnej materii”, a nawet, że wytworzą się miniaturowe „czarne dziury”.

Ta możliwość powstania na Ziemi „czarnych dziur”, pożerających materię gwiazd „kosmicznych potworów”, wzbudziła wśród wielu przerażenie. Pewna grupa sceptyków złożyła w sądzie na Hawajach petycję domagającą się zakazu eksperymentów w CERN, obawiając się wywołania tymi eksperymentami „końca świata”. Sąd tamten nie ma jednak jurysdykcji w Europie i urządzenie z wielką pompą włączono 10 września 2008 roku.

Znawca czarnych dziur, angielski fizyk Stephen Hawking zakłada się o 100 dolarów, że ani „cząsteczki Boga”, ani żadnej czarnej dziury w CERN nie uda się wytworzyć, a jeżeli, to będzie tak mała, że „wyparuje” zanim cokolwiek pożre. Jest jednak grupa, która twierdzi, że na razie, gdy „zderzacz” pracuje małą mocą, nic się nie dzieje, ale w roku 2012, gdy będą przeprowadzane eksperymenty na pełną skalę, Ziemia przestanie istnieć. Co ponoć przepowiedzieli Majowie.
Pożyjemy, zobaczymy.
(ami)