Wednesday 10 March 2010

Vesmír je skutečně "relativní"

23:59 | Posted by Jakub Ráliš | Edit Post
Ačkoliv téma i název článku k tomu svádí nebudu tu dnes parodovat a zesměšňovat tvrzení různých "poučených laiků" o relativitě poznání po Einsteinovi a neurčitosti vědění po Heissenbergovi. Bylo by to značně nedůstojné k tak zajímavému zprávě, která před malou chvílí objevila. Nedávno jsem tady "frfňal" nad nedostatnem zajímavých zpráv z "kosmu a fyziky" tak teď mi to kosmická energie naštěstí vynahrazuje. Vypadá to, že teorie přitažlivosti, přání  a pozitivního myšlení opravdu funguje (jenom opačně).

Tak tedy : Einsteinova obecná teorie relativity byla znovu podpořena (potvrzena) dalšími zásadními důkazy. Bylo zjištěno, že Einsteinovi rovnice fungují správně (resp. správněji než ostatní) na velmi velké vzdálenosti ve vesmíru. Je to skutečná pecka, která bude zveřejněna v zítřejším vydání časopisu Nature (11.3 2010).

Aby bylo jasné proč se jedná stále o vskutku zásadní zprávu je nutno poskytnout trochu kontextu k problému  působení gravitace na velké vzdálenosti. Začneme pěkně postupně.

Obecnou teorie relativity (dále jen GR -general relativity) Einstein publikoval v roce 1915 a ta přežívá všechny testování a pokusy o její vyvrácení. Velmi zjednodušeně tento systém staví na Newtonových zákonech gravitace, ale přidává (sjednocuje speciální teorii relativity a obecné zákony Newtonovy gravitace) předpoklady, že předměty svojí hmostností zakřivují prostoročas kolem sebe a toto zakřivení  "se projevuje jako gravitace". Důležitý je pojem prostoročasu (spacetime), jelikož tělesa svojí hmotností (mass) zakřivují i čas. Potom tedy, všechno i světlo a záření putuje po zakřivené trase. (viz gravitační čočky). GR zatím přežila všechny experimenty a pokusy o její vyvrácení. Přestože je přijímaná jako nejjednoduší z teorií odpovídající experimentálním datům, nejedná se zdaleka o jediný způsob vysvětlení gravitace. S Einsteinovou teorí je spojeno množství problému především její sjednocení se zákony kvantové fyziky tedy její působení na sub-atomární úrovni. Tato problematika nás všas dnes nezajíma. GR mnohem lépe funguje ve velkých měřítkách, ale i tam má svoje "dost velké mouchy". 

Velkým měřítkem nemám na mysli pohyb planet, ale galaxií. V galaktickém meřítku jsou však s GR spojeny některé stále trochu exotické koncepty jako "temná hmota", kterou se nám ještě nepodařilo prokázat přímo. Pokud přijmeme GR pro pohyb galaxií (jak rotaci, tak pohyb v clusterech-kupách), tak jejich pohyb sedí na výpočty s jedním drobným problémem. Galaxie se pohybují způsobem jako by na ně působila kromě hmoty, kterou pozorujeme nějaká další "neviditelná hmota" (temná hmota), tvořící ve skutečnosti zhruba 95 procent gravitačního vlivu.

Jako reakce na řešení problému "temné hmoty" byla vytvořena především tzv. MOND hypotéza (Modified Newtonian Dynamics). Jedna se zjednodušeně o koncept, který říka, že místo předpokládání neviditelné hmoty, aby námrovnice GR vycházeli musíme toerii upravit. Konkretnně MOND předpokládá mnohem vetši efektivitu hmotnosti na zakřivování protoročasu  než v GR. Problémem ovšem je, že MOND není schopen vysvětlit některá zásadní empirická pozorování (I,II) a ačkoliv funguje dobře při predikci rotace samotné galaxie, úplně selhává pro predikci pohybů galxíí v clusterech. Tyto hypotézy (a jejich modifikace jako např. TeVeS) získávali čím dál více příznivců i když oproti počtu vědců, kteří přijímají GR se jednalo o marginální počty. Nyní byla těmto alternativním teoriím zasazena další možná poslední rána. To tedy ke kontextu a problémům GR.

(Credit: M. Blanton, Sloan Digital Sky Survey)

Vědci z Univerzit v Kalifornii-Berkeley, Zurichu a Princetonu se rozhodli testovat velmi prezizně GR a zároveň konkurenční alternativní teorie. To je samo o sobě velký problém. Jedná se o první exaktní testování podobného rozsahu na podobné vzdálenosti. Týmy fyziků z těchto univerzit analyzovali fungování GR na 70.000 galaxií  na vzdálenostech 3.5 miliard světelných let. A co by jste řekli? Ano GR funguje:)

Na 70.000 galaxiích vědci ověřovali a kombinovali tři různá měření. 
1) Slabé působení gravitační čočky (termín je weak gravitational lensing, který se do češtiny obvykle překláda jako slabé gravitační čočkování a já ho nemám rád, takže se budu dále držet originálu). Tedy měření jak moc galaxie svojí hmotou ohýbají světlo, které k nám přichází z galaxií okolo nich.
2)Weak gravitational lensing data byly poté porovnávány s měřením rychlosti (v) s jakou se galaxie pohybují vůči sobě.
3)Vědci vypočítavali jako hodně jsou galaxie nakupené u sebe v závisloti na vzdálenosti (D)
Kombinace těchto meření vytvořila sytém tesů gravitačních teorií, které byli zároveň nezávislé na nutných parametrech daných teorií. Jak to jasně vyjádřil spoluautor studie Uros Seljak z UC Berkeley:

Seljak said. "The novelty of this technique is that it looks at a particular combination of observations that does not depend on the magnitude of the fluctuations. The quantity is a smoking gun for deviations from general relativity."

Testována byla především samožrejmě obecná teorie relativity (model pro studenou temnou hmotu - CDM), poté modifikace MOND hypotézy tzv. TeVeS (tensor-vector-scalar-gravity) a f(R) teorie. Zatímco f(R) teorie s určitými drobnými problémy obstála, TeVeS v predikcích silně selhala a stává se v podstatě nezajímavou. GR se ukázala jako naprosto konzistentní.



Tato studie nejen, že dále podpořila konzistentnost GR, která byla objevena již před 95 lety, ale ukazuje také další směr emprirického testování v této oblasti. Testy nám také ukazují jak píšeMoskowitzová na Space že:

"This research indicates those pesky ideas [temná hmota a temná energie] may be here to stay."

Aby mohla být povrtzena či vyvrácena f(R) teorie (ačkoliv se to obecně předpokládá) či dále potvrzena GR, bude muset podobné testování probíhat na větším počtu galaxií. Podobné fyyzikální výzkumy také mohou pomoci astronomům "skutečně najít" zatím jen nepřímo dokazovanou "temnou hmotu"

Podobné empirické testy nám pěkně odhalují úžasné nikdy nekončící pochybování a precizování v rámci vědy. Nové poznatky a testování GR nám dávají pevnější základ při tvrzení o vesmíru a pohybu galaxií, když vidíme, že skutečně funguje, tak jak to tvrdíme a počítáme. Podobné úspěchy pohánějí úžas člověka nad tím, že vesmír se všude řídí stejnými pravidly, ať je to naše malinká sluneční soustava nebo kupy galaxií na ploše jedné třetiny pozorovatelného vesmíru. Tento malý kousek pevnějí půdy pod nohama je také drobným krokem na cestě za komplexním řešením tajemství gravitace, které bylo před dvěma lety odhlasováno jako největší záhada vesmíru. Vesmír tedy skutečně je "obecně relativní", naše poznání nikoliv!


edit: zde je link na Nature podcast k čislu 11.3. kde je velmi zajimavý rozhovor z dr. Reyesovou, která vedla tým na Princetonu.


Labels: , , ,

Blogger Template created with Artisteer.