هل من الممكن أن تتحدث مشاكلنا عن عيوب نظرية الجاذبية؟

سرعان ما أصبحت مقتنعا بأن كل التنظير سيكون مجرد تمرين فارغ للدماغ ، وبالتالي مضيعة للوقت ، ما لم تكتشف أولاً ما مليء بالكون حقًا.
- فريتز زويكي

في نهاية الأسبوع ، أفحص رسائلك بأسئلة واقتراحات. هذا الأسبوع ، أحببت الرسالة التي تحتوي على فرص التعلم الأخرى من ريان شولز ، الذي يسأل:

تضمن العدد الأخير من مجلة Discover مقالة طويلة حول النظرية الراديكالية لـ MOND وكيف تقوم قدراتها التنبؤية بعمل ممتاز ، ولم يجد أحد حتى الآن مادة مظلمة. أتساءل ما هو MOND ، هل هذه نظرية مقبولة ، وإذا كانت ناجحة للغاية ، فلماذا سمعنا جميعًا عن المادة المظلمة ، وليس MOND؟

لفهم ماهية الأمر ، عليك الذهاب إلى القرن التاسع عشر ومناقشة المشاكل التي كانت موجودة قبل فترة طويلة من مشكلة "الكتلة المفقودة" (أو "الضوء المفقود") التي تحاول MOND حلها: مشاكل أورانوس وميركوري.

قوانين الجاذبية ، التي طورها نيوتن في القرن السابع عشر ، وصفت بنجاح كل شيء ، بغض النظر عن ما ينطبق. من حركة القذائف الطائرة إلى الأجسام المتدحرجة ، من وزن الأجسام إلى البندول ، من طفو القارب إلى مدار القمر حول الأرض ، فشلت نظرية الجاذبية لنيوتن.

تم تطبيق قوانين كبلر الثلاثة ، وهي حالات خاصة من الجاذبية النيوتونية ، على جميع الكواكب المعروفة:

1. يتم رسم كل كوكب من النظام الشمسي في شكل بيضاوي ، يتم فيه تحديد أحد بؤر الشمس.
2. يتحرك كل كوكب في طائرة تمر عبر مركز الشمس ، ولفترات متساوية من الزمن ، يصف ناقل الشعاع الذي يربط الشمس والكوكب مناطق متساوية.
3. يشار إلى مربعات فترات ثورة الكواكب حول الشمس بمكعبات المحاور شبه الرئيسية لمدارات الكواكب.

أطاعت جميع العوالم المعروفة هذه القوانين ، ولم يتم العثور على انحرافات لمئات السنين. لكن مع اكتشاف أورانوس عام 1781 ، تغير كل شيء. تحرك الكوكب الجديد في شكل بيضاوي حول الشمس ، لكن سرعته لم تتطابق مع تنبؤات قوانين الجاذبية.

في أول 20 سنة بعد الكشف ، تحركت بشكل أسرع مما كان متوقعًا. في السنوات 20-25 القادمة ، كانت سرعتها تتوافق مع السرعة المحسوبة. ثم تباطأت أكثر ، وانخفضت السرعة إلى أقل من السرعة المحسوبة.

هل كان قانون الجاذبية خطأ؟ ربما. ولكن ربما لا تزال هناك بعض المواد ، نوع من المادة غير المرئية ، أو المظلمة ، التي سحبت أورانوس وأدت إلى انحرافات المدار.

اتضح أنه كذلك. بعد حرب المنظر بين أوربين ، وجان جوزيف ليفرير وجون كوتش آدامز ، التي قاموا خلالها بتنبؤات مستقلة حول موقع الكوكب الجديد ، في 23 سبتمبر 1846 ، تم تأكيد حسابات ليفرير من قبل يوهان جوتفريد جالي ومساعده هاينريش لويس داري. تم اكتشاف نبتون ، وهو أول كائن تنبأ بوجوده بفعل الجاذبية لكتلته.

من ناحية أخرى ، بدأ الكوكب الداخلي ، عطارد ، نتيجة لزيادة دقة أدوات المراقبة والقياسات المتراكمة على مر القرون ، في إظهار انحرافات غريبة عن قوانين الجاذبية. توقع كبلر أن الكواكب يجب أن تتحرك حول الشمس في علامات الحذف المثالية مع التركيز في الشمس ، ولكن فقط في حالة عدم وجود كتل أخرى تؤثر على النظام وتزعجه. ولكن هناك كتل أخرى ، ولا يتحرك عطارد على طول قطع ناقص مثالي. القطع الناقص يرتكب بداية.

باستخدام قوانين الجاذبية لنيوتن ، يمكننا أن نأخذ في الاعتبار تأثير جميع الكواكب ، بما في ذلك نبتون ، واستباق الاعتدال الأرض. بعد ذلك ، نجد فقط اختلافًا بسيطًا بين الملاحظات والتنبؤات - مبادرة 43 بوصة في مائة عام ، أو 0.012 درجة في مائة عام. لكن هذا ليس حادثًا.

إذن ما الأمر؟ هل ما زالت هناك كتلة غير معروفة ، ربما داخلية لعطارد؟ أم أن المشكلة في قانون الجاذبية؟ تم إجراء بحث متعب عن الكوكب النظري فولكان ، الواقع بالقرب من الشمس. ولكن لم يكن هناك بركان. جاء القرار في عام 1915 ، عندما طرح أينشتاين نظريته النسبية العامة.

تقدم سريعًا إلى السبعينيات وانظر إلى الملاحظات التي قدمتها لأول مرة فيرا روبين. نلاحظ المجرات الفردية - على وجه الخصوص ، التي تقع على حافة لنا - وقياس سرعاتها. ننظر إلى جانب واحد من المجرة ، ونرى أنه يتحرك نحونا (التحول الأزرق) ، ثم ننظر إلى الجانب الآخر ، ويبتعد عنا (الانزياح الأحمر) - كل ذلك بفضل دوران المجرة. نتوقع أن نجد أن النجوم الداخلية للمجرة تدور بشكل أسرع ، وأن سرعة الدوران تقل مع المسافة من المركز. لكننا نرى شيئًا مختلفًا تمامًا.

بدلاً من ذلك ، تظل سرعة دوران المجرة ثابتة لأنها تتحرك بعيدًا عن
المركز. لماذا ذلك هناك احتمالان: إما أن تتطلب قوانين الجاذبية تصحيحًا ، أو يجب أن نفترض وجود كتلة إضافية غير مرئية.

MOND ، أو MOND - الديناميكيات النيوتونية المعدلة ، تمت ملاحظتها لأول مرة في عام 1981 من قبل Moti Milgrom ، الذي قرر أنه إذا قمنا بتغيير تأثير قوانين نيوتن بتسارع صغير جدًا - عند كسور نانومتر في المربع الثاني - يمكننا الحصول على منحنيات الدوران هذه بالضبط. يمكن أن يفسر التغيير نفسه دوران المجرات ، من صغير إلى كبير. ولا يزال MOND يتكيف مع هذا بشكل جيد للغاية.

من ناحية أخرى ، تشير المادة المظلمة إلى أنه بالإضافة إلى الجسيمات العادية للنموذج القياسي ، فإن جميع المواد الطبيعية من "البروتونات والنيوترونات والإلكترونات" ، والتي نعرف كل شيء تقريبًا ، هي نوع جديد من المادة. لشرح هذه الظاهرة الدورانية ، تم اقتراح هالة كبيرة من المادة لا تتفاعل مع الضوء ، ولا تتكتل مع نفسها ، ولا تتفاعل مع المادة العادية. هذه هي فكرة المادة المظلمة.

يمكنها أن تشرح منحنيات الدوران هذه ، ولكن ليس مثل MOND. لا تتطابق المحاكاة العددية للهالة التي تم الحصول عليها من أبسط نماذج المادة المظلمة تمامًا مع الملاحظات: الهالة كثيفة جدًا في المركز و "رقيق" جدًا عند الحواف. (من الناحية الفنية ، فهي متساوي الحرارة أكثر مما هو متوقع). إذا كان لدينا فقط منحنيات الدوران هذه ، فسيكون MOND قائدًا واضحًا.

لكن لدينا كون كامل.

إذا اقترحت نظرية جديدة بدلاً من GR ، والتي بدورها تحل محل الجاذبية النيوتونية ، فأنت بحاجة إلى مراقبة ثلاثة شروط:
1. يجب أن تعيد إنتاج كل نجاحات النظرية السابقة.
2. يجب أن يشرح الظاهرة (أو الظاهرة) الجديدة التي تم تطويرها من أجلها.
3. يجب عليها عمل تنبؤات جديدة وفريدة يمكن التحقق منها تجريبيا أو عن طريق الملاحظة.

ونجاح النظرية السابقة هائل.

عدسة الجاذبية للضوء النجمي بالكتلة ، بما في ذلك العدسات القوية والضعيفة. تأثير شابيرو. تمدد الزمن الثقالي والانزياح الأحمر. منصة مرتبطة بالانفجار الكبير ومفهوم الكون المتوسع. حركة المجرات في مجموعات وعناوين المجرات على نطاق واسع.

وفي جميع هذه الحالات ، يفشل MOND بشكل فعال ، إما بدون إصدار تنبؤات ، أو مع تنبؤات تتعارض مع البيانات. إذا قلت أن MOND ليست نظرية كاملة ، ولكنها وصف لظاهرة واحدة يمكن أن تؤدي إلى نظرية كاملة ، فاستمر في الأمل. يعمل الكثير من الناس على توسيع MOND ، وهو ما يفسر هذه الملاحظات ، ولكن حتى الآن لم يكن هناك الكثير من النجاح ، بما في ذلك نظرية TeVeS (الجاذبية العددية المتجهية) ، MoG (الجاذبية المعدلة) وغيرها.

ولكن إذا تركت قوانين جاذبية أينشتاين وأضفت فقط مكونًا جديدًا ، مادة باردة ومظلمة ، لا تعاني من التصادمات ، يمكنك شرح كل شيء ، بما في ذلك تفاصيل جديدة ومثيرة للاهتمام.

يمكن تفسير التقلبات في الإشعاع CMB ، بما في ذلك "القمم الصوتية" التي لا يمكن أن توجد بدون شكل من أشكال المادة المظلمة.

يمكنك شرح طبيعة العناقيد ، التي يمكن رؤيتها في الهياكل الواسعة النطاق للكون ، بما في ذلك المنحنى الكبير في الأعلى ، والتقلبات فيه ، إذا افترضنا أن المادة المظلمة تزيد خمس مرات عن المعتاد.

والأكثر إثارة للاهتمام هو أنه يمكن عمل تنبؤ جديد: في اصطدام مجموعتين من المجرات ، يجب أن يسخن الغاز الداخلي ، ويبطئ ويبعث إشعاع الأشعة السينية (وردي أعلاه) ، والكتلة (الزرقاء) المرئية من خلال العدسة الجاذبية يجب أن تتبع المادة المظلمة وتفصلها عن الأشعة السينية أشعة. ولد هذا التنبؤ من الملاحظات واستمر لمدة السنوات العشر الماضية ، بمثابة دليل غير مباشر على وجود المادة المظلمة.

لذا ، رايان ، موند لا يتفوق على المادة المظلمة: فهو لا يزال يفسر منحنيات دوران المجرات أفضل من المادة المظلمة. لكن هذه ليست نظرية فيزيائية حتى الآن ، وهي لا تتوافق مع مجموعة الملاحظات الكاملة التي لدينا. نسمع عن المادة المظلمة ، لأنها قادرة على إعطائنا الكون كله ، بدون تناقضات. قد يكون MOND هو المفتاح لنظرية أكثر اكتمالاً عن الجاذبية ، ويأمل الكثيرون في يوم من الأيام في استنتاج الظواهر من MOND من أحلك المواد - وهو هدف طموح تمامًا!

لكن الآن لا تتعامل موند بشكل كوني ، مما يجعلها أقل تفضيلاً من المادة المظلمة. لديها أتباعها وتستحق العمل ، ولكن هذا ليس بديلاً مناسبًا حتى الآن. ولكن اجعل نسخته ، والتي:

1. إعادة إنتاج كل نجاحات الموارد الوراثية ،
2. يشرح مجموعة من الظواهر الجديدة ،
3. يصنع تنبؤات جديدة يمكن التنبؤ بها ،

وسأغني بشكل مختلف ، كما يجب على أي عالم صحيح أن يفعل.

اسأل إيثان رقم 94: هل تم فعل المادة المظلمة؟

هل من الممكن أن تتحدث مشاكلنا عن عيوب نظرية الجاذبية؟

More articles: