GRAVITATEA PENTRU TOATE SCALE?

Sursă Originală: http://astroweb.case.edu/ssm/mond/astronow.html

Conceptul modern de gravitate a început în secolul al XVII-lea cu Sir Isaac Newton. La baza Legii universale a gravitației lui Newton este o observație empirică simplă: 
Totul se întâmplă … ca și cum forța dintre două corpuri este direct proporțională cu produsul maselor lor și invers proporțională cu pătratul distanței dintre ele. 
– Sir Isaac Newton 
Acest fapt clar a explicat mișcarea detaliată a Lunii, încapsulată Legea lui Kepler despre mișcarea planetară și în ziua de azi ne informează cum să navigăm pe micile nave spațiale prin vasta expansiune a spațiului interplanetar cu o precizie remarcabilă. Niciodată în istorie nu ne-a fost observată nici o observație plinătății (literalmente!) Până acum.

Legea gravitației lui Newton a fost testată pe o gamă largă de scale, de la submilimetrul până la sistemul solar. Succesele sale repetate și precizia incredibilă sunt rivalizate de puține teorii fizice. Gradul de încredere al Gravitației Universale a fost de așa natură încât, în secolul al XIX-lea, micuța precesie a orbitei lui Mercur a constituit o criză.

Această criză a fost rezolvată de teoria relativității generale a lui Einstein, singura actualizare semnificativă a concepției despre gravitație de la Newton. Relativitatea generală a rezistat la multe teste de precizie. Succesele repetate ale teoriei lui Newton-Einstein și eminența superioară a autorilor acesteia au dus la o atitudine larg răspândită în rândul savanților că nu poate fi nimic nou de învățat despre gravitație. Mulți dintre acești oameni de știință aderă simultan la atitudinea contradictorie că trebuie să existe o teorie unificată a totului sau cel puțin a celor patru forțe fundamentale. Până în prezent, gravitatea a refuzat să fie asimilată în imaginea mecanică cuantică, care este esențială pentru descrierea celorlalte forțe ale naturii. Totuși, trebuie să existe o teorie cuantică a gravitației. Urmărind acest lucru la concluzia sa logică,

Dincolo de tărâmul cuantic, există și alte puzzle-uri gravitaționale care rămân să fie explicate. Una dintre cele mai pertinente este frecvent menționată ca “problema materiei întunecate”. Atunci când astronomii măsoară mișcările de stele și de gaze în galaxii și încă sisteme mai mari, ei descoperă că vitezele sunt mult mai mari decât ceea ce poate fi explicat prin aplicarea gravitației universale a lui Netwon la masa în forme vizibile, cum ar fi stelele (vezi figura 1 ) . Acest lucru a dus la concluzia că majoritatea (aproximativ 90%) a masei în univers este întunecată.

Există o cantitate enormă de dovezi pentru materia întunecată. Cu toate acestea, toate aceste dovezi se bazează pe ipoteza că teoria newtoniană poate fi extrapolată în siguranță din sistemul solar (unde este bine testată) la scalele galaxiilor. În timp ce un punct de plecare excelent, nu ar trebui să presupunem că într-adevăr va ține. Stingerii pentru epistemologie ar putea obiecta că, strict vorbind, nu ne confruntăm cu dovezi pentru materia întunecată, ci mai degrabă pentru discrepanțe în masă. Ceea ce vedem nu se adaugă, deci fie universul este plin de masă nevăzută, fie teoria care conduce la inferența acestei mase are nevoie de revizuire.

Pentru a reveni la rădăcinile empirice ale gravitației, amintiți-vă de observația lui Newton că ” totul se comportă ca și cum … ” În timp ce acest lucru este adevărat cu mare precizie în sistemul solar, este evident fals în galaxii și alte sisteme extragalactice. Dacă ar fi avut loc, nu aveam nevoie de materie întunecată. Aruncarea viciului în loc de gravitate ar putea fi potrivită dacă există o modificare a formulei lui Newton care satisface spiritul dictonului său ” totul se comportă ca și cum … “

Au fost făcute multe astfel de încercări, iar multe au eșuat. Aceste eșecuri au încurajat oamenii în direcția materiei întunecate. Cu toate acestea, există o idee care are da să eșueze. În 1983, fizicianul israelian M. Milgrom a presupus o schimbare specifică a ecuațiilor care guvernează mișcările de particule la accelerații foarte mici. El a numit aceasta dinamica modificata din Newton, sau MOND. MOND se reduce la forma Newtoniană obișnuită în regimul de accelerare ridicată, dar la accelerații mai mici de 1 parte din 10 11 din ceea ce simțim aici pe pământ, lucrurile se schimbă într-un mod care ar putea explica discrepanța în masă.

Odată ce ecuațiile MOND (sau orice altă modificare ipotetică) sunt scrise, acestea nu oferă prea mult spațiu de manevră. Datele dinamice precise, cum ar fi curbele de rotație ale galaxiilor spirituale, trebuie să apară de la aplicarea MOND la distribuția observată a materiei luminoase (stele și gaz). Fiecare galaxie oferă un test unic al ipotezei. Se potrivește cu curbele de rotație observate ale galaxiilor, precum cea din Figura 1, au fost realizate acum pentru peste 100 de galaxii, cu rezultate comparabile. Desi exista cu siguranta puzzle-ul ocazional, nu exista cazuri cunoscute in care MOND este in mod clar esuat. În marea majoritate, aceasta reușește cu siguranță. MOND este formula care satisface dictonul lui Newton ” totul se comportă ca și cum … “

În lucrările sale inițiale din 1983, Milgrom a făcut o serie de predicții despre o clasă necunoscută de galaxii cu densitate scăzută a suprafeței. Aceste obiecte ar trebui, dacă MOND este corect, să prezinte discrepanțe mari de masă, deoarece masa lor luminoasă difuză ar oferi o accelerație gravitațională mai slabă decât cantitatea deja slabă găsită în galaxiile mai luminoase. El a enumerat o serie de consecințe specifice, de testare a acestei predicții. La acea vreme, astfel de obiecte erau considerate a fi rare sau inexistente. Mai târziu au fost descoperite și acum sunt cunoscute ca galaxii de “luminozitate redusă a suprafeței”. În cursul studierii acestor noi obiecte în interesul lor, astronomii au acumulat treptat datele necesare pentru a testa predicțiile vechi ale lui Milgrom, vechi de zece ani. A fost un șoc destul de mare pentru a constata că fiecare dintre ele a fost realizat în date. În timp ce știința în principiu avansează prin construirea de ipoteze care fac predicții care pot fi ulterior testate, este într-adevăr un lucru rar că, în practică, acest model urmează cu adevărat așa de curat.

Aceste succese ale MOND sunt cele mai evidente în locurile în care datele dinamice care o testează sunt cele mai exacte. Cu toate acestea, există multe alte sisteme în care imaginea este mai puțin clară. Orice modificare a legilor dinamice trebuie să explice discrepanța în masă de pretutindeni. Trebuie să funcționeze nu numai pentru curbele de rotație, ci și pentru dispersiile de viteză ale galaxiilor sferoidale, temperaturile gazelor din grupurile de galaxii și mișcările particulare ale galaxiilor în structura vastă a universului.

Un loc MOND pare să aibă dificultăți serioase în grupe bogate de galaxii: masa luminoasă este redusă cu un factor de aproximativ două din ceea ce este necesar pentru a explica observațiile. Pe de o parte, acest lucru nu pare atât de rău: apariția unui factor de două în astronomie este adesea privită ca un mare succes. Pe de altă parte, discrepanța pare reală. Acest lucru implică faptul că există încă o masă suplimentară care încă trebuie descoperită în grupuri. Aceasta, de fapt, invocă o formă de materie întunecată – cu greu un punct de vânzare pentru o teorie care încearcă să elimine astfel de lucruri. Acest lucru ar putea fi considerat fatal pentru MOND dacă nu ar fi fost faptul că descoperirea rezervoarelor imense de masă în grupuri sa întâmplat înainte. Se credea mult timp că stelele din galaxiile care alcătuiau grupurile erau cel mai mare rezervor de materie normală de acolo. Aproximativ un deceniu în urmă, a devenit evident că masa de răspândire a gazelor difuze fierbinți între galaxiile clusterului depășește cu mult masa în stele. În acest caz, este greu să fii încrezător că un alt factor de doi nu va apărea.

O altă problemă este cosmologia. Relativitatea generală nemodificată oferă o interpretare satisfăcătoare a aspectelor empirice ale cosmologiei de tip bang fierbinte – un univers în expansiune, nucleosinteza elementelor luminoase și radiația relicvă cunoscută sub numele de fundalul cosmic de microunde. Succesul cosmologiei standard este adesea egalat cu dovezi împotriva MOND. Cu toate acestea, cosmologia standard este viabilă doar dacă 90% din masă există într-o formă încă ipotetică – cu greu un mare lăudabil punct. Mai rău, în ultimii ani a devenit necesar să se revigoreze cea mai mare greșeală a lui Einstein: constanta cosmologică. S-ar putea întreba dacă aceste transformări ciudate sugerează un adevăr mai mare.

Contextul cosmic cu microunde poate ajuta la rezolvarea acestei probleme. Un univers plin de materie întunecată lasă o semnătură subtilă diferită pe acest ecou al bangului mare, decât o persoană lipsită de materie întunecată. Observațiile recente au venit strâns de aproape de a putea distinge între cele două cazuri, dar în cele din urmă nu au reușit să facă o distincție clară. Misiunile spațiale viitoare, cum ar fi MAP-ul NASA și PLANCK-ul ESA, sperăm să facă acest truc.

Indiferent dacă MOND este corectă ca teorie, ea constituie o fenomenologie observată care necesită explicații. Aici se află un adevărat enigmă pentru imaginea materiei întunecate. Așteptările naturale ale teoriilor materiei întunecate pentru curbele de rotație nu arată ca MOND și, prin urmare, nu reușesc să reproducă un întreg set de fapte observaționale esențiale. Cea mai bună teorie a materiei întunecate poate spera să facă este să se arate ca MOND și, prin urmare, postdict multe lucruri pe care Milgrom a prezis cu succes. Aceasta oferă o singură pauză autentică pentru a examina modul în care se presupune că va continua știința.

Dezbaterea dintre materia întunecată și MOND este revigorantă. În ultimii ani s-au exprimat unele îngrijorări că știința se află la sfârșit. Au fost făcute toate descoperirile fundamentale; nu este nimic nou cu adevărat nou descoperit. Acest sentiment reflectă cuvintele lui Rutherford cu aproape un secol în urmă: ” Tot ce rămâne … este să completați ultimele câteva zecimale. ” Acum, ca și atunci, zvonurile sfârșitului științei fundamentale sunt mult exagerate.

Figura 1: Curba de rotație a galaxiei pitic NGC 1560. Linia inferioară este rotația prezisă prin aplicarea gravitației Newtoniană asupra stelelor observate și a gazului. Aceasta se încadrează cu mult sub rotația observată, ceea ce duce la deducția materiei întunecate pentru a compensa diferența. Linia superioară arată că rotația este așteptată de aplicarea lui MOND la stelele observate și la gaze. Rezultate similare sunt acum cunoscute pentru peste 100 de galaxii. Rețineți că, în acest caz, chiar și înclinația observată în distribuția gazului se reflectă în rotație. Acest lucru este extrem de dificil de explicat cu materia întunecată care nu este distribuită ca masa luminoasă. MOND este formula care satisface dictonul lui Newton ” totul se comportă ca și cum … “