Ujemna masa: alternatywa dla ciemnej kosmologii

Współczesna kosmologia jest nauką białych (a właściwie ciemnych) plam, opartą o istnienie hipotetycznej ciemnej materii oraz ciemnej energii. Jamie Farnes twierdzi, że potrafi stworzyć lepszy model, unifikujący dwa enigmatyczne byty w jeden.

Gdybym miał rację, oznaczałoby to, że brakujące 95% zawartości kosmosu miało proste rozwiązanie: zapomnieliśmy o wprowadzeniu drobnego znaku minus.

Jamie Farnes

Kosmologia ciemności

Fizyka i astronomia od wieków uczą ludzi pokory. Dzięki nim zauważyliśmy, że Ziemia nie jest uprzywilejowanym światem leżącym w centrum wszechrzeczy. Ale na tym nie koniec. Nieco później dowiedzieliśmy się również, że to z czego jesteśmy fizycznie skonstruowani, wcale nie stanowi podstawowego budulca rzeczywistości. Twoje ciało, Twój dom, planety, gwiazdy, mgławice, galaktyki, bańki Lyman-Alpha i co tam jeszcze zdołasz wymyślić – to jakieś 5% treści wszechświata. To dość znany fakt i mogłeś o nim słyszeć, nawet jeżeli nie wertowałeś podręczników do kosmologii. Mimo to, myśl o tym, że wszystkie atomy i cała menażeria cząstek elementarnych, to w istocie margines – wciąż budzi dreszcz emocji. Przede wszystkim, choć zdajemy sobie sprawę, że za obecny kształt wszechświata w 95% odpowiada coś innego, to jednak tego czegoś wciąż nie umiemy zidentyfikować, ani nawet zdefiniować. Tak właśnie w naukowym żargonie zaczęły figurować pojęcia ciemnej materii oraz ciemnej energii.

Ciemna materia i ciemna energia

Od razu Cię uprzedzę, że choć ciemna materia i ciemna energia często występują w literaturze tuż obok siebie, tak naprawdę oba koncepty powstały w sposób niezależny, tłumacząc zupełnie inne zjawiska. Łączy je w zasadzie tylko to, że wymykają się konwencjonalnym teoriom naukowym i bez wątpienia mają znacznie większy wpływ na całość wszechświata niż atomy i znane cząstki.

Nie chcąc nadmiernie nadymać wstępu, pozwolę sobie tylko na superszybkie streszczenie (jeśli jesteś złakniony wiedzy, odsyłam do osobnych artykułów). Ciemna materia powstała jako odpowiedź na kłopoty astrofizyków, związane z opisem rotacji galaktyk. Przyjmując, że jedynym ich budulcem jest “świecąca” materia, zgodnie z teorią były one zdecydowanie zbyt lekkie i powinny się rozpadać. Dopiero nałożenie na dyski sporego balastu – pięciokrotnie masywniejszego od obserwowanej materii – sprawiało, że konstrukcja nabierała stabilności. Oznaczało to istnienie nieznanego typu cząstek, nie emitujących ani nie odbijających światła, ale za to silnie oddziałujących grawitacyjnie. Ciemna energia z kolei, to byt jeszcze dziwniejszy i jeszcze gorzej rozumiany. Mówiąc najprościej, chodzi o coś, co wypełnia całą przestrzeń i nieustannie ją rozpycha. Za prototyp ciemnej energii uważa się często stałą kosmologiczną – wynalazek samego Alberta Einsteina. Miała ona formę drobnego członu dokooptowanego do równań, jako przeciwwaga dla siły grawitacji i zapobiegającego zapadnięciu się wszechświata.

Stała kosmologiczna Einsteina
Einstein na okładce “Science” zszokowany odkopaniem jego stałej kosmologicznej.

Akt desperacji? Poniekąd tak, co przyznał sam Einstein ostatecznie nazywając stałą kosmologiczną swoją największą pomyłką. Jednak żeby było śmieszniej, wiele lat po śmierci swojego autora, owa “pomyłka” została de facto wskrzeszona. Obserwacje dowiodły nie tylko, że wszechświat na przekór wszystkiemu rośnie, ale wręcz, że ekspansja nabiera tempa! Nie ma pewności, co napędza pęczniejącą przestrzeń, ale bez wątpienia jest to coś potężnego. Nauka zwykła nazywać to ciemną energią.

Unifikacja tego co nieznane

Niektórzy mogliby oskarżyć fizyków o brak kreatywności i okopanie się w swoich paradygmatach. Rzeczywiście, przez lata nie pojawiło się zbyt wiele wiarygodnych alternatyw dla powyższego modelu. Bodaj najbardziej znaną jest zmodyfikowana dynamika newtonowska (MOND) proponująca rozwiązanie problemu rotacji galaktyk poprzez inne spojrzenie na grawitację. Dzisiejszy artykuł powstał natomiast z uwagi na propozycję, autorstwa dr. Jamiego Farnesa z Oxfordu, przedstawioną w cieplutkiej publikacji: Teoria unifikacji ciemnej energii i ciemnej materii: Ujemna masa i kreacja materii w zmodyfikowanej strukturze ΛCDM. Tak, wiem, tytuł może zawrócić w głowie, ale naprawdę dobrze oddaje istotę nowej koncepcji. A o co w tym wszystkim chodzi, w ludzkich słowach?

Jednym z głównych założeń nie tylko dotychczasowej kosmologii, ale fizyki w ogóle – jest istnienie wyłącznie masy “pozytywnej”. Wszyscy to znamy. Obiekty posiadają masę, w związku z czym naciskają na płótno czasoprzestrzeni i wywołują efekty grawitacyjne polegające na przyciąganiu innych ciał. Farnes wyrzucił ten paradygmat do kosza i postanowił sprawdzić, co działoby się z kosmosem gdyby obok masy dodatniej istniała również substancja charakteryzująca się masą ujemną. Prace przyniosły nadzwyczaj obiecujące wyniki. Obecność w przestrzeni postulowanego ciemnego fluidu, mogłaby za jednym zamachem zastąpić ciemną energię, jak również wyeliminować problemy, rozwiązywane dotąd przez ciemną materię. W miejscu dwóch zagadkowych bytów pojawia się jeden. Nadal trudny do zbadania i zdefiniowania – ale jednak tylko jeden.

Masa na minus

Klucz do nowej hipotezy stanowi masa ujemna. Pomysł nie całkiem nowy, bo pojawiający się na kartach historii fizyki w różnych kontekstach, choć zazwyczaj szybko porzucany z braku jakichkolwiek przesłanek obserwacyjnych (np. o posiadanie jakiejś “antymasy” podejrzewano antymaterię). Powrót do niego nie powinien Cię jednak przesadnie szokować. Spoglądając na przyrodę, wszędzie widzimy polaryzację poszczególnych zjawisk, czego najpospolitszym przykładem jest magnes z dwoma biegunami. Fakt, że grawitacja pozwala wyłącznie na przyciąganie, niezmiennie skłania do refleksji i sceptycyzmu. W modelu Farnesa grawitacja zachowuje się jednak ciekawiej od elektromagnetyzmu. Rozpatrzmy to.

Ciało o masie dodatniej zachowuje się w przewidywalny, klasyczny sposób, przyciągając ku sobie wszystkie inne ciała. Z faktem tym mamy do czynienia na co dzień, widząc spadające jabłko lub badając Układ Słoneczny. Ciało o masie ujemnej miałoby działać odwrotnie, odpychając od siebie wszystkie otaczające je obiekty. To chyba też dość jasne. Zabawa zaczyna się kiedy masa dodatnia napotyka masę ujemną. Dochodzi do nietypowego ruchu wyglądającego z zewnątrz na swoisty pościg. Ciało o masie dodatniej przyciąga drugie o masie ujemnej, ale jednocześnie jest przezeń odpychane. Przy założeniu, że obiekty posiadają zbliżone gabaryty, jeden będzie zwyczajnie podążał za drugim. (W przypadku dużej dysproporcji ciał, sytuacja mogłaby wyglądać różnie. Przykładowo, gdybyśmy posiadali piłkę o ujemnej masie, zapewne opadałaby ona na ziemię niemal tak samo jak każda inna piłka. Nie widzielibyśmy większej różnicy, bowiem planeta przyciągałaby piłkę w normalny sposób, a ujemna masa tej drugiej byłaby zbyt mała aby odepchnąć planetę).

Zachowanie masy dodatniej i masy ujemnej

Nieco to poplątane, ale w zasadzie wszystko zamyka się w zaledwie trzech możliwych scenariuszach. Brytyjski fizyk przekonuje przy tym, że żadna z opisywanych sytuacji nie przeczy znanym prawom fizyki, zasadom zachowania, ani nawet postulatom ogólnej teorii względności.

Alternatywa dla ΛCDM

Nowa hipoteza zakłada istnienie czegoś, co wypełniałoby ogromne połacie przestrzeni kosmicznej i oddziaływało na otoczenie ujemną masą. Rozpatrzmy zatem, jak taka koncepcja może zastąpić ciemną materię i ciemną energię, ekspercko nazywane modelem ΛCDM (Lambda-CDM).

Ciemna materia, jak wspomnieliśmy, ma za zadanie przede wszystkim usztywniać galaktyki, tak aby nie rozlatywały się podczas wirowania. Substancja o ujemnej masie jest w stanie wykonać to zadanie, lecz w bardziej subtelny sposób. Jak ustaliliśmy powyżej, podczas spotkania masy dodatniej i ujemnej dochodzi do specyficznego “ruchu uciekającego”. Jak to się przekłada na kosmiczną praktykę? Materia gwiazdowa z galaktyk (o masie dodatniej) z jednej strony ściągałaby ku sobie wszechobecną ujemną masę, a z drugiej chciałaby przed nią uciec. W efekcie, otaczająca z każdej strony dysk ujemna masa będzie go “ściskać”, utrzymując całą konstrukcję w ryzach i nie pozwalając na jej rozpad. Ponadto, fluidy Farnesa siłą rzeczy pozostają zimne i nie emitują światła, a w związku z wzajemnym odpychaniem, nie mogą też samodzielnie tworzyć żadnych struktur. Wykazują więc właściwości dość podobne do niewidzialnych cząstek jakie powinny budować ciemną materię.

Ujemna masa jako ciemna materia

A co z ciemną energią lub – jeśli wolisz archaiczną nomenklaturę – stałą kosmologiczną? Odpychająca wszystko wokoło ujemna masa, w dość oczywisty sposób może odpowiadać za ekspansję wszechświata. Problem dotyczy tego, że intuicyjnie egzotyczna substancja (od strony mechanicznej traktowana w równaniach jako płyn doskonały) powinna ulegać rozcieńczaniu wraz z postępującą ekspansją przestrzeni. To dość oczywiste: zwiększając zbiornik (w tym przypadku wszechświat), zmniejszamy ciśnienie jego zawartości. Jednakże wtedy, ujemna masa działałaby z czasem coraz słabiej, rozpychając przestrzeń z coraz mniejszym impetem. Niestety to stałoby w opozycji do obserwacji jasno sugerujących rosnące tempo rozszerzania wszechświata. Ciemną energię traktowano najczęściej jako pewną własność przestrzeni (energia próżni?), która automatycznie utrzymywała stałą gęstość. Aby masa ujemna mogła pełnić analogiczną rolę i zachowywać swoje atrybuty, również musiałaby przyrastać w miarę ekspansji. W tym celu Farnes uwzględnił w swoich obliczeniach tensor kreacji, rozwiązujący kłopot z gęstością ujemnej masy, pozwalając na jej tworzenie w przestrzeni. To chyba najbardziej niepokojący element całej hipotezy, choć sam fizyk go broni, zauważając, że podobne założenia nie są niczym oryginalnym i regularnie pojawiają się w modelach kosmologicznych od lat 60.

Rozruch kosmologii

Model dark fluid z jednej strony debiutuje, z drugiej czerpie garściami z pomysłów proponowanych przez fizyków od wielu lat, łącząc je w świeżą, całkiem zgrabną całość. Dzięki ujemnej masie, zamiast dwóch wielkich niewiadomych w naszej wiedzy, pozostaje tylko jedna. Za wcześnie aby wyrokować czy z tej mąki będzie chleb. Na pewno powinniśmy mieć na uwadze, że ΛCDM posiada przewagę całych dekad badań i setek publikacji, więc siłą rzeczy łatwo nie ustąpi pola konkurencji. 

Na razie Jamie Farnes pokazał, że te same fenomeny można z powodzeniem wyjaśnić, przyjmując zupełnie inne spojrzenie i założenia. To chyba jedna z najbardziej irytujących cech fizyki teoretycznej. Ale daje też najwięcej frajdy.

Bonus, czyli wypowiedź J. Farnesa dla Kwantowo

Jako, że pojawiło się wiele pytań, a hipoteza potrafi wzbudzić emocje – nawiązałem korespondencję z samym autorem. Dr Farnes był łaskawy odpowiedzieć na mój mail i specjalnie dla czytelników Kwantowo odpowiedzieć na kilka wątpliwości. Tym samym zamieszczam przekład jego słów.

A. A.: Polskie media uparły się aby tłumaczyć pański “dark fluid” bardzo dosłownie, jako ciemny płyn. Czy rzeczywiście tak należy traktować ten hipotetyczny byt o ujemnej masie? Czym on jest?

J. F.: To ciekawe pytanie. Negatywna materia zaproponowana w nowej hipotezie jest egzotycznym materiałem z “ujemną masą”. Wyobraź sobie, że trzymasz obiekt, który ma -2kg. To by było dziwadło! W zasadzie, gdybyś popchnął taki obiekt, ten nie odsunąłby się od ciebie – lecz podążyłby ku tobie. Ten materiał wydaje się nam dziwny, ponieważ żyjemy akurat w takim miejscu we wszechświecie, który jest zdominowany przez masę pozytywną. Jakkolwiek, materia o ujemnej masie zdaje się być kompatybilna ze znaną nam dotąd fizyką, włączając w to zasadę zachowania energii, pędu, a nawet reliktowe promieniowanie tła, będące pozostałością po wielkim wybuchu. Normalnie myślimy o kosmicznej pustce jak o czymś… cóż… pustym. Wszelako, w teorii, wydaje się, iż ta ujemna masa jest powiązana z energią samej pustej przestrzeni. Cały kosmos sprawia wrażenie wypełnionego takim właśnie “ciemnym fluidem” o ujemnej masie.

Ten “ciemny fluid” mógłby zasadniczo być czystym płynem lub morzem cząstek. Jednak, jak wiemy z obserwacji natury, kosmos skłania się ku rzeczom pojmowalnym w kategoriach mniejszych pakietów/paczek – czy też cząstek. To popycha mnie ku myśli, iż ten fluid o ujemnej masie także składa się z cząstek. Pozwalając ujemnej masie być cząstką, rozwiązujemy jednocześnie dodatkowe problemy np. takie jak natura obserwowanych promieni kosmicznych o ultrawysokiej energii, które dostrzegamy (tzw. cząstka “O-mój-Boże”). W mojej teorii, można to wyjaśnić ściganiem i przyspieszaniem cząstek o pozytywnej masie przez trapiącą ją masę ujemną. Obecnie nie ma żadnych innych testowalnych wyjaśnień natury tych cząstek, więc ciemny fluid o negatywnej masie zdaje się być krokiem w dobrym kierunku!

A. A.: Czy zaakceptowanie tej hipotezy jest równoznaczne z przyjęciem, że prawo zachowania energii nie ma zastosowania do wszechświata jako całości? W końcu “ciemny płyn” według niej tworzy się w miarę rozszerzania wszechświata!

J. F.: Równania dla standardowego modelu ciemnej energii, które obecnie są powszechnie akceptowane przez naukową społeczność, już złamały zasadę zachowania energii. Dziwną kwestią dotyczącą kosmosu, a w szczególności w równań ogólnej teorii względności, jest to, że energia jest tak naprawdę zachowana jedynie w lokalnej skali i nie pozostaje wymagana globalnie.

Jakkolwiek posiadamy obserwowalny dowód zachowania energii w odniesieniu do lokalnej skali, proces ten został dotąd zmierzony jedynie w oparciu o cząstki obdarzone masą dodatnią. Zwyczajnie może być tak, że zasada zachowania energii nie jest wymagana dla masy ujemnej – szukamy przecież zupełnie nowego reżimu. Jeżeli negatywna masa stale powstaje w tym nowym modelu ciemnego fluidu, to rzeczywiście może implikować, iż zasada zachowania energii jest naruszona lokalnie, wszelako nie musi być to wcale kłopot w skali całego wszechświata.

A. A.: Czy pańska hipoteza tłumaczy również inne zjawiska, jak soczewki grawitacyjne, przypisywane dotąd ciemnej materii?

J. F.: W artykule rozważałem obserwowane dziwne zjawiska, które opisane zostały w literaturze naukowej w przeciągu ostatnich 10 lat. Okazuje się, że przy okazji soczewkowania galaktyk oraz gromad galaktyk, naukowcy wielokrotnie dokonywali pomiarów i natrafiali na ujemną masę. Jako że ujemne masy są tak dziwne, systematycznie odrzucali ten koncept, mówiąc że coś musiało pójść źle w ich eksperymencie – co dokładnie odnotowali w swych publikacjach naukowych. Wszelako, naprawdę interesujące jest to, że gdy nabierzemy dystansu do pojedynczego badania i spojrzymy nań z szerszej perspektywy, to możemy dojrzeć mnóstwo detekcji ujemnej masy, wywołującej efekt soczewkowania grawitacyjnego. To może sugerować, że ujemne masy są czymś istniejącym – tam, w kosmosie – co zaczęliśmy bezpośrednio obserwować.

Są również inne zjawiska, które ujemne masy mogą wyjaśnić i to już obserwowalny dowód, że teoria ta może być rzeczywistym wyrazem naszego wszechświata. Dla przykładu, przełomowe odkrycie z późnych lat 90. dotyczące przyśpieszającej ekspansji kosmosu – nagrodzone Nagrodą Nobla w 2011 roku – właściwie wykryło obecność ujemnej masy. Jednakowoż, wyjaśnienie takie uznane zostało w ich artykule jako “niefizyczne” – zapewne byli naturalnie zszokowani dziwną ideą ujemnych mas, tak samo jesteśmy zszokowani my wszyscy. Możemy przeanalizować ponownie dane tych supernowych w nadchodzących latach, by potwierdzić ich wczesne wyniki.

Nowy model przewiduje również, że rozmieszczenie galaktyk powinno się różnić w ściśle określony sposób, zależnie od czasu. Nowy radioteleskop, zwany Square Kilometre Array (SKA) będzie największym teleskopem na świecie – obejmującym dwa kontynenty i generującym 5 mln petabajtów danych każdego roku. W e-Research Centre na Oxfordzie, rozwijamy narzędzia zdolne przesiać tę ogromną powódź danych, co pozwoli nam wreszcie dokonać pomiaru rozmieszczenia galaktyk głębiej w przeszłości niż kiedykolwiek wcześniej. Umożliwi to zestawienie mojej nowej hipotezy z konwencjonalnym modelem kosmologicznym (który nie jest w stanie zlokalizować ciemnej energii ani ciemnej materii) jak również możliwe z innymi wiodącymi teoriami kosmologicznymi (np. MOND). Po tym jak SKA zostanie włączony, będę pełen nadziei, że teleskop okaże się w stanie stosunkowo szybko wykryć dowody. Jednakże, nawet wtedy będziemy zmuszeni  czekać do ok. 2030 roku, nim będziemy mogli potwierdzić lub wykluczyć obecność ujemnej masy we wszechświecie.

Ostatecznie, CERN również poszukuje materii (a właściwie antymaterii) o ujemnej masie z w np. eksperymentach alpha-g i g-bar. Jeśliby je znaleźli, to również dość wcześnie uzyskalibyśmy potwierdzenie. Jednakowoż nowa hipoteza potrzebowałaby odrobinę inne materii niż antymateria. Niemniej jednak, nadal byłoby motywujące, gdyby jakiekolwiek cząstki o ujemnej masie zostały w końcu odkryte odkryte.

Literatura uzupełniająca:
J. S. Farnes, A unifying theory of dark energy and dark matter: Negative masses and matter creation within a modified LambdaCDM framework, “Astronomy & Astrophysics” 2018;
J. S. Farnes, Bizarre ‘dark fluid’ with negative mass could dominate the universe – what my research suggests, [online: https://theconversation.com/bizarre-dark-fluid-with-negative-mass-could-dominate-the-universe-what-my-research-suggests-107922];
D. Oberhaus, A New Theory Unifies Dark Matter and Dark Energy as a ‘Dark Fluid’ With Negative Mass, [online: https://motherboard.vice.com/en_us/article/bjey9v/a-new-theory-unifies-dark-matter-and-dark-energy-as-a-dark-fluid-with-negative-mass];
R. Panek, Ciemna strona wszechświata, przeł. E. Łokas, Warszawa 2011;
L. Krauss, Wszechświat z niczego. Dlaczego istnieje raczej coś niż nic, przeł. T. Krzysztoń, Warszawa 2014.
7 fizyków, którzy zrobili naukowy skok w bok Jak potomkowie Adama i Ewy opanowali świat Żyjemy w pogiętej galaktyce – rozmowa z Dorotą Skowron