Ist es möglich, dass unsere Probleme von den Fehlern der Gravitationstheorie sprechen?

Ich war bald davon überzeugt, dass alle Theorien nur eine leere Übung des Gehirns und daher Zeitverschwendung sein würden, es sei denn, Sie finden zuerst heraus, womit das Universum wirklich gefüllt ist.
- Fritz Zwicky

Am Ende der Woche stöbere ich in Ihren Briefen mit Fragen und Vorschlägen. Diese Woche hat mir der Brief mit den anderen Lernmöglichkeiten von Ryan Schulz gefallen, der fragt:

Die neueste Ausgabe des Discover Magazine enthielt einen langen Artikel über die radikale Theorie von MOND und wie seine Vorhersagefähigkeiten hervorragende Arbeit leisten, aber niemand hat dunkle Materie gefunden. Ich frage mich, was MOND ist, ist dies eine akzeptable Theorie, und wenn sie so erfolgreich ist, warum haben wir alle von dunkler Materie gehört, nicht von MOND?

Um zu verstehen, worum es geht, müssen Sie ins 19. Jahrhundert gehen und die Probleme diskutieren, die lange vor dem Problem der „fehlenden Masse“ (oder des „fehlenden Lichts“) bestanden, das MOND zu lösen versucht: die Probleme von Uranus und Merkur.

Die von Newton im 17. Jahrhundert entwickelten Gravitationsgesetze haben alles äußerst erfolgreich beschrieben, egal was zutraf. Von der Bewegung fliegender Granaten zu rollenden Objekten, vom Gewicht von Objekten bis zu einem Pendel, vom Auftrieb eines Bootes bis zur Umlaufbahn des Mondes um die Erde scheiterte Newtons Gravitationstheorie.

Keplers drei Gesetze, Sonderfälle der Newtonschen Schwerkraft, gelten für alle bekannten Planeten:

1. Jeder Planet des Sonnensystems ist in einer Ellipse gezeichnet, in deren Mittelpunkt die Sonne steht.
2. Jeder Planet bewegt sich in einer Ebene, die durch das Zentrum der Sonne verläuft, und für gleiche Zeiträume beschreibt der Radiusvektor, der die Sonne und den Planeten verbindet, gleiche Bereiche.
3. Die Quadrate der Rotationsperioden der Planeten um die Sonne werden als Würfel der Semi-Major-Achsen der Umlaufbahnen der Planeten bezeichnet.

Alle bekannten Welten gehorchten diesen Gesetzen, und seit Hunderten von Jahren wurden keine Abweichungen festgestellt. Aber mit der Entdeckung von Uranus im Jahr 1781 änderte sich alles. Der neue Planet bewegte sich in einer Ellipse um die Sonne, aber seine Geschwindigkeit entsprach nicht den Vorhersagen der Gravitationsgesetze.

In den ersten 20 Jahren nach der Entdeckung bewegte sie sich schneller als vorhergesagt. In den nächsten 20-25 Jahren entsprach seine Geschwindigkeit der berechneten. Dann wurde es noch langsamer und die Geschwindigkeit fiel unter die berechnete.

War das Gesetz der Schwerkraft falsch? Möglicherweise. Aber vielleicht gab es noch eine Materie, eine Art unsichtbare oder dunkle Materie, die Uranus zog und zu diesen Abweichungen der Umlaufbahn führte.

Es stellte sich heraus, dass es so ist. Nach dem Krieg eines Theoretikers zwischen Urbain, Jean Joseph Leverrier und John Couch Adams, in dem sie unabhängige Vorhersagen über den Standort eines neuen Planeten machten, bestätigten Johann Gottfried Galle und sein Assistent Heinrich Louis D'Arre am 23. September 1846. Neptun wurde entdeckt, das erste Objekt, dessen Existenz durch den Gravitationseffekt seiner Masse vorhergesagt wurde.

Auf der anderen Seite zeigte der innerste Planet, Merkur, aufgrund der über Jahrhunderte gesammelten Genauigkeit von Beobachtungsinstrumenten und Messungen merkwürdige Abweichungen von den Gravitationsgesetzen. Kepler sagte voraus, dass sich Planeten in idealen Ellipsen mit Fokus in der Sonne um die Sonne bewegen sollten, jedoch nur in Abwesenheit anderer Massen, die das System beeinflussen und stören. Aber es gibt andere Massen, und Merkur bewegt sich nicht entlang einer idealen geschlossenen Ellipse. Die Ellipse begeht eine Präzession.

Mit den Newtonschen Gravitationsgesetzen können wir den Einfluss aller Planeten, einschließlich Neptun, und die Präzession der Erdäquinoktien berücksichtigen. Danach finden wir nur einen kleinen Unterschied zwischen Beobachtungen und Vorhersagen - eine 43-Zoll-Präzession in hundert Jahren oder 0,012 ° in hundert Jahren. Dies ist jedoch kein Unfall.

Also, was ist los? Gibt es noch eine unbekannte Masse, möglicherweise innerhalb von Merkur? Oder liegt das Problem im Gesetz der Schwerkraft? Es wurde eine anstrengende Suche nach dem theoretischen Planeten Vulcan durchgeführt, der sich noch näher an der Sonne befindet. Aber es gab keinen Vulkan. Die Entscheidung fiel 1915, als Einstein seine allgemeine Relativitätstheorie vorlegte.

Schneller Vorlauf in die 1970er Jahre und Blick auf die Beobachtungen von Vera Rubin. Wir beobachten einzelne Galaxien - insbesondere an einer Kante gelegen - und messen ihre Geschwindigkeiten. Wir schauen auf eine Seite der Galaxie und sehen, dass sie sich auf uns zubewegt (Blauverschiebung), und dann schauen wir auf die andere Seite und bewegen uns von uns weg (Rotverschiebung) - alles dank der Rotation der Galaxie. Wir erwarten, dass sich die inneren Sterne der Galaxie schneller drehen und dass die Rotationsgeschwindigkeit mit der Entfernung vom Zentrum abnimmt. Aber wir sehen etwas ganz anderes.

Stattdessen bleibt die Rotationsgeschwindigkeit der Galaxie konstant, wenn sie sich vom
Zentrum entfernt. Warum so? Es gibt zwei Möglichkeiten: Entweder müssen die Gesetze der Schwerkraft korrigiert werden, oder wir müssen die Existenz einer zusätzlichen, unsichtbaren Masse annehmen.

MOND oder MOND - Modified Newtonian Dynamics wurde erstmals 1981 von Moti Milgrom notiert, der entschied, dass wir genau diese Rotationskurven erhalten können, wenn wir die Wirkung der Newtonschen Gesetze bei sehr kleinen Beschleunigungen - bei Bruchteilen eines Nanometers pro Sekunde im Quadrat - ändern. Die gleiche Änderung kann die Rotation von Galaxien von klein nach groß erklären. Und MOND kommt damit immer noch sehr gut zurecht.

Dunkle Materie hingegen legt nahe, dass zusätzlich zu den gewöhnlichen Teilchen des Standardmodells alle normale Materie aus „Protonen, Neutronen und Elektronen“, von denen fast alles, was wir wissen, eine neue Art von Materie ist. Um dieses Rotationsphänomen zu erklären, wurde ein großer Halo von Materie vorgeschlagen, der nicht mit Licht interagiert, nicht mit sich selbst verklumpt und nicht mit gewöhnlicher Materie interagiert. Dies ist die Idee der Dunklen Materie.

Sie kann diese Rotationskurven erklären, aber nicht so gut wie MOND. Die numerischen Simulationen des Halos, die aus den einfachsten Modellen der Dunklen Materie erhalten wurden, stimmen nicht ganz mit den Beobachtungen überein: Der Halo ist in der Mitte zu dicht und an den Rändern zu „flauschig“. (Technisch gesehen sind sie isothermer als erwartet). Wenn wir nur diese Rotationskurven hätten, wäre MOND ein klarer Anführer.

Aber wir haben ein ganzes Universum.

Wenn Sie anstelle von GR eine neue Theorie vorschlagen, die wiederum die Newtonsche Schwerkraft ersetzt, müssen Sie drei Bedingungen beachten:
1. Sie muss alle Erfolge der vorherigen Theorie reproduzieren.
2. Es muss das neue Phänomen (oder die neuen Phänomene) erklären, für die es entwickelt wurde.
3. Sie muss neue, einzigartige Vorhersagen treffen, die experimentell oder durch Beobachtung überprüft werden können.

Und es gibt viele Erfolge in der vorherigen Theorie.

Gravitationslinsen von Sternenlicht mit Masse, einschließlich starker und schwacher Linsen. Shapiro-Effekt. Gravitationszeitdilatation und Rotverschiebung. Eine Plattform, die mit dem Urknall und dem Konzept eines expandierenden Universums verbunden ist. Die Bewegung von Galaxien in Clustern und Galaxienhaufen in großem Maßstab.

In all diesen Fällen versagt der MOND effektiv, entweder ohne Vorhersagen oder mit Vorhersagen, die mit den Daten in Konflikt stehen. Wenn Sie sagen, dass MOND keine vollständige Theorie ist, sondern eine Beschreibung eines Phänomens, das zu einer vollständigen Theorie führen kann, dann hoffen Sie weiter. Viele Leute arbeiten an der Erweiterung von MOND, was diese Beobachtungen erklären würde, aber bisher gab es nicht viel Erfolg, einschließlich der Theorie von TeVeS (Tensor-Vektor-Skalar-Schwerkraft), MoG (modifizierte Schwerkraft) und anderen.

Wenn Sie jedoch die Schwerkraftgesetze von Einstein verlassen und nur eine neue Zutat hinzufügen, kalte und dunkle Materie, ohne Kollisionen zu erleben, können Sie alles erklären, einschließlich neuer, interessanter Details.

Schwankungen im CMB können erklärt werden, einschließlich „akustischer Spitzen“, die ohne irgendeine Form von dunkler Materie nicht existieren können.

Sie können die Natur von Clustern, die in großräumigen Strukturen des Universums sichtbar sind, einschließlich der großen Kurve oben, und die Schwankungen darin erklären, wenn wir annehmen, dass dunkle Materie fünfmal mehr als gewöhnlich ist.

Und am interessantesten ist, dass eine neue Vorhersage getroffen werden kann: Bei der Kollision zweier Galaxienhaufen sollte sich das interne Gas erwärmen, verlangsamen und Röntgenstrahlung emittieren (oben rosa), und die durch Gravitationslinsen sichtbare Masse (blau) sollte der dunklen Materie folgen und sich vom Röntgenstrahl trennen Strahlen. Diese Vorhersage wurde aus Beobachtungen geboren und dauerte die letzten zehn Jahre und diente als indirekter Beweis für die Existenz dunkler Materie.

Also, Ryan, MOND übertrifft dunkle Materie nicht: Es erklärt immer noch die Rotationskurven von Galaxien besser als dunkle Materie. Dies ist jedoch noch keine physikalische Theorie und mit der gesamten Reihe von Beobachtungen, die wir haben, nicht vereinbar. Wir hören von dunkler Materie, da sie uns das gesamte Universum ohne Widersprüche geben kann. MOND mag der Schlüssel zu einer vollständigeren Theorie der Schwerkraft sein, und viele hoffen, eines Tages die MONOD-Phänomenologie aus der dunkelsten Materie abzuleiten - ein ziemlich ehrgeiziges Ziel!

Aber jetzt kommt MOND nicht kosmologisch zurecht, was es viel weniger bevorzugt als dunkle Materie. Sie hat ihre eigenen Anhänger und verdient einen Job, aber bisher ist dies keine geeignete Alternative. Aber machen Sie seine Version, die:

1. Alle Erfolge von GR reproduziert,
2. Erklärt eine Reihe neuer Phänomene.
3. Macht neue vorhersehbare Vorhersagen,

und ich werde anders singen, wie es jeder richtige Wissenschaftler tun muss.

Fragen Sie Ethan Nr. 94: Ist die Dunkle Materie erledigt?

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