Warum halten wir diese oder jene Theorie oder Hypothese für überzeugend und ihre Alternativen für unwahrscheinlich? Die Antwort auf diese Frage beschäftigt Wissenschaftsphilosophen seit vielen Jahrzehnten: die Kontroverse von Karl Popper und Thomas Kuhn seit über 40 Jahren. Ein relativ neues Beispiel, um darüber zu diskutieren, ist die Entwicklung von Ideen über dunkle Materie. Anzeichen seiner Existenz wurden bereits in den 1930er Jahren entdeckt, aber erst in den 1970er Jahren wurde diese Hypothese als die wichtigste angesehen. Warum?
Das Problem der Dunklen Materie ist heute eines der zentralen Probleme sowohl für die Astrophysik als auch für die Physik insgesamt. Es ist bekannt, dass anscheinend etwa 80% der Masse der Galaxien aus einer der Wissenschaft unbekannten Substanz besteht, die sich bis auf ihre Schwerkraft in keiner Weise manifestiert. Obwohl die ersten Anzeichen für die Existenz dieser Masse, die vor unseren Augen verborgen waren, bereits in den 1930er Jahren entdeckt wurden, haben Wissenschaftler diese Hypothese in den 1970er Jahren überraschenderweise nicht aufgegriffen. Warum ist das passiert? Eine mögliche Antwort wird von den Autoren des Artikels
Wie dunkle Materie zur Materie kam vorgeschlagen , der kürzlich auf arxiv.org veröffentlicht wurde. Ich werde ihre Thesen kurz nacherzählen.
Das Problem der Geschwindigkeitsausbreitung von Galaxien in Clustern
1933 wurde der mittlerweile berühmte Artikel von Fritz Zwicky veröffentlicht, in dem er, nachdem er die beobachteten Geschwindigkeiten der Galaxienbewegung im Veronica-Haarcluster untersucht hatte, feststellte, dass ihre Ausbreitung zu groß war - der Cluster sollte auseinander fliegen, da seine scheinbare Gesamtmasse eindeutig nicht ausreicht, um solche zu halten schnelle Galaxien. Zwei Astronomen kamen zu einem ähnlichen Ergebnis - Eric Holmberg und Sinclair Smith, die andere galaktische Systeme untersuchten.
Als eine der Erklärungen führte Zwicky die Hypothese der Dunklen Materie ein - eine unsichtbare Substanz, die zusätzliche Schwerkraft erzeugt und die Streuung von Clustern verhindert. Eine ernsthafte Diskussion dieser Beobachtungen begann jedoch erst nach zwei Jahrzehnten.
Ende der 1950er Jahre erschienen genauere Messungen von galaktischen Clustern, die die Beobachtungen der 1930er Jahre bestätigten und gründlicher machten. Dann stellte Victor Hambardzumyan 1958 eine alternative Hypothese auf: Was wir sehen, ist kein Gleichgewichtszustand. Galaxien fliegen wirklich auseinander, wir hatten das Glück, sie zu einer Zeit zu beobachten, in der sie noch relativ nahe beieinander liegen.
Diese Hypothese hatte jedoch ein großes Problem. Schätzungen zufolge sollte die Expansion von Galaxien in zehn oder hundert Millionen Jahren erfolgen, was hunderte Male weniger ist als das Alter des Universums. Zu unserer Zeit sollte es keinen einzigen galaktischen Cluster geben. Aber wir sehen, dass es tatsächlich viele Cluster gibt.
Wie dem auch sei, die Vorstellung, dass die sichtbare Substanz nur ein Fünftel der Gesamtmasse ausmacht, sah nicht weniger radikal aus, so dass viele alternative Erklärungen aufkamen. Sie versuchten, die verborgene Masse mit hypothetisch großen Bereichen ionisierten Wasserstoffs, einer großen Anzahl von Zwerggalaxien, der Notwendigkeit, die Gravitationsgesetze, die hohe Dichte der Gravitationsstrahlung, die Existenz von Relikt-Schwarzen Löchern, massiven Neutrinos und natürlich einfach Beobachtungsfehlern zu erklären.
Das Problem der Galaxienrotationskurven
Gleichzeitig trat in einem völlig anderen Bereich der Astronomie ein Problem auf, das auch durch die Hypothese der Dunklen Materie gelöst werden konnte. In den 1950er und 1960er Jahren entwickelte sich die Radioastronomie aktiv weiter, wodurch es möglich wurde, bisher unsichtbaren neutralen Wasserstoff anhand der berühmten 21-cm-Linie zu „sehen“. Mit seiner Hilfe wurde die Gasrotationsgeschwindigkeit in Galaxien gemessen und ihre Rotationskurven konstruiert - die Abhängigkeit der Rotationsgeschwindigkeit von Sternen und Gas um das Zentrum der Galaxie von der Entfernung zu diesem Zentrum.
In den frühen 1970er Jahren wurde festgestellt, dass diese Kurven zu „flach“ sind. Es wurde erwartet, dass gemäß Keplers Gesetzen die Geschwindigkeiten abnehmen würden, wenn sie sich von der Hauptgruppe der sichtbaren Masse entfernen, aber sie blieben nahezu konstant. Es gab ein Problem, bei dem die "zusätzliche" Schwerkraft von einer höheren Geschwindigkeit herrührt.
Die Situation war jedoch nicht eindeutig. Obwohl in einigen Arbeiten ausdrücklich darauf hingewiesen wurde, dass die beobachteten Rotationskurven durch eine bestimmte zusätzliche Masse erklärt werden können, die für eine direkte Beobachtung nicht zugänglich ist, hat sich dieser Standpunkt nicht durchgesetzt. Ein Teil des Problems bestand darin, dass es viele Galaxienrotationsmodelle gab, und durch Variation der darin enthaltenen Parameter konnte eine relativ gute Übereinstimmung mit den beobachteten Kurven erzielt werden.
Nun, obwohl die Hypothese der Dunklen Materie selbst dann beide Probleme gleichzeitig lösen konnte, war sie nur eine von vielen möglichen Hypothesen, die zu dieser Zeit nicht sehr überzeugend und auch nicht ohne Nachteile waren. Und im Allgemeinen haben nur wenige diese beiden Probleme zusammen betrachtet.
Kosmologische Probleme
Eine signifikante Veränderung in der Wahrnehmung der Hypothese der Dunklen Materie trat aufgrund der Entwicklung einer völlig anderen Feldkosmologie auf.
Zu Beginn des 20. Jahrhunderts glaubten die meisten Wissenschaftler, dass unsere Galaxie das gesamte Universum ist. Mitte des Jahrhunderts wurde jedoch klar: Dies ist bei weitem nicht der Fall. Die gleiche Radioastronomie führte zur Entdeckung einer großen Anzahl von Galaxien und anschließend 1963 zu Objekten völlig neuer Natur - Quasare, entfernte superhelle Objekte, die zu Beginn des Universums existierten. Es wurde klar, dass das Universum nicht statisch ist, sondern sich irgendwie entwickelt. So entstand die Kosmologie.
Die Hauptaufgabe der Kosmologie war es herauszufinden, in welchem Szenario sich das Universum entwickelt. Nach dem beliebtesten Modell, das den Namen Friedman trägt, gibt es drei Versionen des Universums: flach, offen und geschlossen. Welcher von ihnen unserem Universum entspricht, hängt von den Parametern in den Gleichungen ab. Diese Parameter sollten natürlich aus Beobachtungen bestimmt werden, und der wichtigste ist die Dichte der Materie im Universum.
Das attraktivste - hauptsächlich aus abstrakten ästhetischen Gefühlen - für viele Kosmologen war ein Modell eines geschlossenen Universums. Zu diesem
Zweck sollte die Dichte der darin enthaltenen Substanz in der Größenordnung von 10
–29 g / cm³ liegen. Tatsächlich war die Schätzung der scheinbaren Masse hundertmal kleiner - 10 -
31 g / cm³. Es war unmöglich, eine solche Diskrepanz zu ignorieren.
Drei Probleme zu einem kombinieren und lösen
Und hier kamen Kosmologen zur Rettung und fanden bekannte Probleme mit Rotationskurven und der Ausbreitung von Galaxiengeschwindigkeiten in Clustern. 1974 brachten Jim Peebles, Jerry Ostriker und Amos Yahil alles zusammen und zeigten, dass die Hypothese der dunklen Materie alle drei Probleme löst. Die Eleganz dieser Schlussfolgerung wurde jedoch von der Tatsache überschattet, dass sich die Dichte des Universums trotz der verborgenen Masse der Galaxien immer noch als fünfmal geringer herausstellte als für ein „geschlossenes“ Szenario erforderlich. Dies war jedoch bereits nicht hundertmal so, und mit einem Koeffizienten von weniger als 10 lernten Astrophysiker lange vorher zu ertragen - dennoch waren die Messungen auf diesem Gebiet der Wissenschaft immer nicht sehr genau.
Die gleiche Schlussfolgerung wurde gleichzeitig von einer anderen Gruppe von Wissenschaftlern gezogen - der estnischen Gruppe des Tartu-Observatoriums, bestehend aus Jaan Einasto, Ants Kaasik und Enna Saar. Ihr Artikel erschien zeitgleich mit dem Artikel der Amerikaner in der Zeitschrift Nature, obwohl sie ihn einige Wochen zuvor verschickt hatten.
Wie dem auch sei, es waren die Kosmologen und ihr junges und sich schnell entwickelndes Wissenschaftsgebiet, die letztendlich zum „Klebstoff“ wurden, der unterschiedliche und nicht sehr überzeugende Beweise zu einer einzigen und ziemlich kohärenten Theorie kombinierte, die nur auf einer Hypothese beruhte - der Hypothese dunkle Materie.