Det enda stora problemet med alla alternativ till mörk materia och mörk energi

oavsett hur mycket vi kan försöka dölja det, finns det ett enormt problem som stirrar oss alla i ansiktet när det gäller universum. Om vi bara förstod tre saker:

1. lagarna som styr universum,
2. komponenterna som utgör universum,
3. och de förhållanden som universum började med,

vi skulle kunna göra det mest anmärkningsvärda av alla. Vi kunde skriva ner ett system av ekvationer som med en tillräckligt kraftfull dator till vårt förfogande skulle beskriva hur universum utvecklades över tiden för att förvandlas från de ursprungliga förhållandena till det universum vi ser idag.varje enskild händelse som inträffade i vår kosmiska historia – till gränserna för klassiskt kaos och kvantindeterminism — kunde vara känd och beskriven i detalj, från de individuella interaktionerna mellan kvantpartiklar till de största kosmiska skalorna av alla. Problemet vi står inför, när vi försöker göra exakt det, är att trots allt vi vet om universum, vad vi förutsäger och vad vi observerar matchar inte riktigt om vi inte lägger till minst två mystiska ingredienser: någon typ av mörk materia och någon typ av mörk energi. Det är ett anmärkningsvärt pussel att lösa, och något som varje astrofysiker måste räkna med. Medan många älskar att presentera alternativ, är de alla ännu värre än den otillfredsställande fixen av mörk materia och energi. Här är vetenskapen om varför.

det finns en hel massa mätningar vi kan göra som har hjälpt till att avslöja universums natur. Vi har mätt planeternas banor och ljusets avböjning på grund av närvaron av massa, vilket visade att Einsteins allmänna relativitet och inte Newtons lagar om universell gravitation bäst beskriver vår verklighet. Vi har upptäckt beteendet hos subatomära partiklar, antipartiklar och fotoner, vilket avslöjar kvantkrafterna och fälten som styr vårt universum. Om vi vill simulera hur universum utvecklats genom tiden måste vi ta de kända, bevisligen korrekta lagarna på de skalor vi har testat dem och tillämpa dem på kosmos som helhet.

Vi har också kunnat mäta en hel serie egenskaper om alla objekt vi kan observera i hela universum. Vi har lärt oss hur stjärnor lyser och avger ljus och kan berätta mycket om en stjärna — hur massiv, varm, lysande, gammal, rik på tunga element etc. – bara genom att titta på ljuset på rätt sätt. Dessutom har många andra former av materia, såsom planeter, stjärnkroppar, misslyckade stjärnor, gas, damm, plasma och till och med svarta hål alla identifierats.

Vi är på god väg att utföra en ”kosmisk folkräkning” av sorter, där vi kan lägga till all materia och energi i universum och vad som komponerar det. Förutom Materia har vi identifierat antimateria i små mängder. Det finns inga stjärnor eller galaxer där ute, inom vårt synliga universum, gjorda av antimateria istället för normal materia, men det finns strålar av antimateria som strömmar bort från naturliga motorer med hög energi som svarta hål och neutronstjärnor. Det finns också neutriner som rusar genom universum, små i massa men enorma i antal, genererade under den heta Big Bang och även från kärnprocesser i stjärnor och stjärnkatastrofer.

problemet är naturligtvis att när vi tar alla ingredienser som vi direkt har mätt, tillämpar ekvationerna som styr universum till kosmos som helhet och försöker sätta allt ihop, lägger det inte upp. De lagar vi känner till och de ingredienser vi direkt har upptäckt, när de kombineras, kan inte förklara universum som vi ser det. I synnerhet finns det några observationer som verkar vara ömsesidigt exklusiva om vi vill undersöka nollhypotesen: att det vi ser och det vi vet är allt som finns.

Du har hört talas om mörk materia tidigare, och anledningen till att du troligen har hört att vi behöver det är att ” det finns inte tillräckligt med normal materia för att redogöra för alla gravitationens effekter som vi ser.”Den vanligaste frågan som astrofysiker får om det är,” Tja, om det bara finns mer normal materia där ute än de typer av materia vi är bra på att upptäcka? Vad händer om ’mörk materia’ bara är mer normal materia som råkar vara mörk?”

problemet med den tanken är att vi vet — från observationer vi redan har — hur mycket normal Materia totalt finns i det synliga universum. Universum var varmare och tätare tidigare, och när saker var heta och täta nog kunde bara fria protoner och neutroner existera. Om de försökte binda samman i någon kombination av tyngre kärnor var universum så energiskt att de omedelbart skulle sprängas isär. De lättaste elementen som finns:

• väte (1 proton),
• deuterium (1 proton och 1 neutron),
• helium-3 (2 protoner och 1 neutron),
• helium-4 (2 protoner och 2 neutroner),
• och litium-7 (3 protoner och 4 neutroner)

skapades alla under de första 3-4 minuterna av universum, att bilda först efter att universum har svalnat tillräckligt så att de inte förstörs omedelbart.

vad som är anmärkningsvärt är att eftersom fysikens lagar som styr partiklar (och kärnfusion) är så väl förstådda, kan vi beräkna exakt-förutsatt att universum en gång var varmare, tätare och expanderat och kylt från det tillståndet — vad de olika förhållandena för dessa olika ljuselement borde vara. Vi har till och med studerat reaktionerna i labbet direkt, och saker beter sig precis som vår teori förutsäger. Den enda faktorn vi varierar är foton-till-baryon-förhållandet, vilket berättar hur många kosmiska fotoner (ljuspartiklar) det finns för varje proton eller neutron (baryonerna) i vårt universum.

Vi har nu mätt allt. Satelliter som COBE, WMAP och Planck har mätt hur många fotoner det finns i universum: 411 per kubikcentimeter av rymden. Mellanliggande gasmoln som uppträder mellan oss och en avlägsen ljuskälla, som en lysande galax eller kvasar, kommer att absorbera en bråkdel av ljuset när det färdas genom universum och lär oss överflödet av dessa element och isotoper direkt. När vi lägger till allt kan bara ~5% av den totala energin i universum vara normal materia: inte mer och inte mindre.

det finns alla möjliga observationer, förutom de som nämns här, som vi måste redogöra för. En universell naturlag är inte bra om den bara fungerar under vissa utvalda förhållanden; du måste kunna förklara en mängd olika kosmiska fenomen om du vill att din föreslagna kosmologi ska tas på allvar. Du måste förklara:

• den kosmiska strukturen vi ser i vårt universum och hur den bildades,
• storlekarna, massorna och stabiliteten hos enskilda galaxer,
• galaxernas hastigheter zippar runt inuti galaxkluster,
• temperaturfluktuationerna präglade i den kosmiska mikrovågsbakgrundsstrålningen: Big Bangs kvarvarande glöd,
• gravitationslinsen observerades runt galaxkluster, både isolerande och de som kolliderar,
• och hur universums expansionshastighet förändras över tiden på det exakta sättet vi har observerat att det förändras.

det finns många andra observationer som vi kan lägga in i detta val, men dessa valdes av en specifik anledning: i ett universum som endast består av normal Materia, strålning och neutriner i deras observerade mängder kan vi inte förklara någon av dessa observationer. För att förklara universum vi ser behövs något ytterligare.

i princip kan du föreställa dig att endast en ny tweak kan redogöra för allt. Det kanske, om vi var kloka nog, kunde vi bara lägga till en ny ingrediens eller göra en ändring av våra regler som skulle förklara alla dessa observationer tillsammans. Det var den ursprungliga tanken bakom mörk materia, förresten, som den först föreslogs på 1930-talet av Fritz Zwicky. Han var den första som mätte hastigheten på galaxer som zippade runt inuti galaxkluster och fann att det behövde vara något som ~100 gånger så mycket massa som stjärnorna kunde redogöra för. Han antog en ny ingrediens-mörk materia-som kan redogöra för allt.vi vet att mörk materia, från observationer och experiment, inte kan göras av någon av de kända partiklarna som finns inom standardmodellen för fysik. Vi har lärt oss att mörk materia inte kunde ha varit varm eller snabbrörlig, även tidigt; det måste antingen vara ganska massivt eller det måste ha fötts utan mycket kinetisk energi. Vi har lärt oss att det inte kan interagera genom den starka eller elektromagnetiska eller svaga kraften på något märkbart sätt. Och vi har lärt oss att om vi lägger till den här ingrediensen av kall mörk materia till universum, faller nästan alla observationer i linje.

med mörk materia ensam kan vi förklara många av de observationer vi inte kan redogöra för utan det. Vi får en kosmisk webb; vi får stjärnhopar som smälter samman till små galaxer som växer till stora galaxer och så småningom galaxhopar; vi får snabbrörliga galaxer inom dessa kluster; vi får en separation mellan het gas och effekterna av tyngdkraften när galaxhopar kolliderar; vi får galaxer som roterar lika snabbt på utsidan som de gör på insidan; vi får betydande gravitationslinser, i överensstämmelse med observationer; vi får temperaturfluktuationer som överensstämmer med den kosmiska mikrovågsbakgrunden och som förklarar sannolikheten för att hitta en galax ett visst avstånd från någon annan galax.

men vi får inte riktigt allt. Mörk materia är den enda extra ”saken” vi kan lägga till — och det visar sig vara en ingrediens snarare än en modifiering — för att lösa det största antalet av dessa problem på en gång, men det ger oss inte riktigt allt. Det löser inte det (större) problemet med expansionshastigheten, och det förklarar inte det (mindre) pusslet om varför, trots att det överträffar normal materia med ett 5-till-1-förhållande, är universum rumsligt platt. På något sätt redovisas inte hela 2/3 av universums totala energi.

mörk energi är naturligtvis den andra ytterligare ingrediensen vi kan lägga till för att förklara resten av observationerna. Det fungerar som en form av energi som är inneboende i rymden själv och blir bara viktig när universum har expanderat för att bli utspädd och diffus nog. Det utgör majoriteten av universums energi idag, efter att ha varit obetydlig för de första ~7+ miljarder åren. Och det får avlägsna galaxer att accelerera, snarare än att bromsa, när de rör sig bort från oss i det expanderande universum.

det finns ingen enda modifiering som förklarar alla dessa observationer tillsammans. Faktum är att alla andra enskilda ändringar du kan göra — antingen genom att ändra lagarna eller lägga till en ny ingrediens — kommer att lösa färre av dessa problem än mörk materia eller mörk energi kommer. De flesta av de konkurrerande ideerna där ute, som:

• modifiera tyngdlagen,
• att ha mörk energi är ett dynamiskt fält eller entitet som utvecklas med tiden,
• eller uppfinna någon form av förfallande mörk materia eller tidig mörk energi,

har en (eller båda) av två dödliga brister. Antingen kräver de mer än de två nya parametrarna som läggs till av mörk materia och mörk energi, eller de misslyckas med att lösa alla problem som lägger till mörk materia och mörk energi löser.

i vetenskapen använder de flesta Occams rakhyvel — tanken att med tanke på valet mellan förklaringar är den enklaste vanligtvis bäst — felaktigt. Det är inte enklare att modifiera tyngdkraften än att lägga till mörk materia och mörk energi, inte om den modifieringen kräver två eller flera tillagda parametrar. Det är inte enklare att introducera en typ mörk energi som är något annat än en kosmologisk konstant; den senare är den mest ”vanilj” – klassen av mörk energi som finns, och det fungerar för allt. Istället måste du göra något som att sammanfoga en förklaring som bara introducerade en ny enhet, som ersätter både mörk materia och mörk energi tillsammans.

så förvirrande som det är, mörk materia och mörk energi är den enklaste förklaringen. En mörk flytande ide i sig kräver flera fria parametrar. Den nya relativistiska MOND som introducerades tidigare i år eller den gamla tensor-vektor-skalära gravitationen av Bekenstein lägger inte bara till minst lika många parametrar som mörk materia och mörk energi, men de kan fortfarande inte förklara galaxkluster. Problemet är inte att mörk materia och mörk energi helt enkelt måste vara rätt. Det är så att alla andra ideer är objektivt sämre. Vad som verkligen händer med vårt universum, är vi skyldiga oss själva att fortsätta utredningen. Det är det enda sättet vi någonsin kommer att veta hur naturen verkligen fungerar, enkelt eller inte.