¿Es posible que nuestros problemas hablen de los defectos de la teoría de la gravedad?

Pronto me convencí de que todo teorizar sería solo un ejercicio vacío del cerebro y, por lo tanto, una pérdida de tiempo, a menos que primero descubras de qué está realmente lleno el Universo.
- Fritz Zwicky

Al final de la semana, rebusco en tus cartas con preguntas y sugerencias. Esta semana, me gustó más la carta que contiene las otras oportunidades de aprendizaje de Ryan Schulz, quien pregunta:

El último número de Discover Magazine presentó un largo artículo sobre la teoría radical de MOND y cómo sus capacidades predictivas hacen un excelente trabajo, y nadie ha encontrado aún la materia oscura. Me pregunto qué es MOND, ¿es esta una teoría aceptable, y si tiene tanto éxito, ¿por qué todos escuchamos sobre la materia oscura, no MOND?

Para entender de qué se trata, debe ir al siglo XIX y discutir los problemas que existieron mucho antes del problema de la "masa faltante" (o "luz faltante") que MOND está tratando de resolver: los problemas de Urano y Mercurio.

Las leyes de la gravedad, desarrolladas por Newton en el siglo XVII, describieron con gran éxito todo, sin importar lo que se aplicara. Desde el movimiento de las conchas voladoras hasta los objetos rodantes, desde el peso de los objetos hasta el péndulo, desde la flotabilidad de un barco hasta la órbita de la luna alrededor de la tierra, la teoría de la gravedad de Newton fracasó.

Las tres leyes de Kepler, casos especiales de gravedad newtoniana, se aplicaron a todos los planetas conocidos:

1. Cada planeta del sistema solar se dibuja en una elipse, en la cual uno de los focos del sol.
2. Cada planeta se mueve en un plano que pasa por el centro del Sol, y durante períodos de tiempo iguales, el vector de radio que conecta el Sol y el planeta describe áreas iguales.
3. Los cuadrados de los períodos de revolución de los planetas alrededor del Sol se conocen como cubos de los ejes semi-principales de las órbitas de los planetas.

Todos los mundos conocidos obedecieron estas leyes, y durante cientos de años no se encontraron desviaciones. Pero con el descubrimiento de Urano en 1781, todo cambió. El nuevo planeta se movió en una elipse alrededor del Sol, pero su velocidad no coincidía con las predicciones de las leyes de la gravedad.

En los primeros 20 años después de la detección, ella se movió más rápido de lo previsto. En los siguientes 20-25 años, su velocidad correspondió a la calculada. Luego se desaceleró aún más, y la velocidad cayó por debajo de la calculada.

¿Estaba mal la ley de la gravedad? Posiblemente Pero quizás todavía había algo de materia, algún tipo de materia invisible u oscura que atrajo a Urano y condujo a estas desviaciones de la órbita.

Resultó que lo es. Después de una guerra teórica entre Urbain, Jean Joseph Leverrier y John Couch Adams, durante la cual hicieron predicciones independientes sobre la ubicación de un nuevo planeta, confirmaron Johann Gottfried Galle y su asistente Heinrich Louis D'Arre el 23 de septiembre de 1846. Neptuno fue descubierto, el primer objeto cuya existencia fue predicha por el efecto gravitacional de su masa.

Por otro lado, el planeta más interno, Mercurio, como resultado de la mayor precisión de los instrumentos de observación y las mediciones acumuladas durante siglos, comenzó a mostrar extrañas desviaciones de las leyes de la gravedad. Kepler predijo que los planetas deberían moverse alrededor del Sol en elipses ideales con foco en el Sol, pero solo en ausencia de otras masas que influyan y perturben el sistema. Pero hay otras masas, y Mercurio no se mueve a lo largo de una elipse cerrada ideal. La elipse comete una precesión.

Usando las leyes de gravedad de Newton, podemos tener en cuenta la influencia de todos los planetas, incluido Neptuno, y la precesión de los equinoccios de la Tierra. Después de eso, encontramos solo una pequeña diferencia entre observaciones y predicciones: una precesión de 43 "en cien años, o 0.012 ° en cien años. Pero esto no es un accidente.

Entonces, ¿qué pasa? ¿Todavía hay una masa desconocida, posiblemente interna a Mercurio? ¿O es el problema en la ley de la gravedad? Se realizó una búsqueda agotadora del planeta teórico Vulcano, ubicado aún más cerca del Sol. Pero no había volcán. La decisión llegó en 1915, cuando Einstein presentó su teoría general de la relatividad.

Avancemos rápidamente a la década de 1970 y miremos las observaciones hechas por primera vez por Vera Rubin. Observamos galaxias individuales, en particular, ubicadas a nosotros por un borde, y medimos sus velocidades. Miramos a un lado de la galaxia, y vemos que se mueve hacia nosotros (desplazamiento azul), y luego miramos al otro, y se aleja de nosotros (desplazamiento al rojo), todo gracias a la rotación de la galaxia. Esperamos encontrar que las estrellas internas de la galaxia giran más rápido, y que la velocidad de rotación disminuye con la distancia desde el centro. Pero vemos una cosa completamente diferente.

En cambio, la velocidad de rotación de la galaxia permanece constante a medida que se aleja del
centro. Por qué Hay dos posibilidades: o las leyes de la gravedad requieren corrección, o debemos asumir la existencia de una masa invisible adicional.

MOND, o MOND - Dinámica Newtoniana Modificada, fue notada por primera vez en 1981 por Moti Milgrom, quien decidió que si cambiamos el efecto de las leyes de Newton a aceleraciones muy pequeñas, a fracciones de un nanómetro por segundo al cuadrado, podemos obtener exactamente estas curvas de rotación. El mismo cambio puede explicar la rotación de las galaxias, de pequeñas a grandes. Y MOND todavía hace frente a esto muy bien.

La materia oscura, por otro lado, sugiere que además de las partículas ordinarias del Modelo Estándar, toda la materia normal de "protones, neutrones y electrones", de los cuales casi todo lo que sabemos, es un nuevo tipo de materia. Para explicar este fenómeno de rotación, se propuso un gran halo de materia que no interactúa con la luz, no se agrupa y no interactúa con la materia ordinaria. Esta es la idea de la materia oscura.

Ella puede explicar estas curvas de rotación, pero no tan bien como MOND. Las simulaciones numéricas del halo obtenidas de los modelos más simples de materia oscura no coinciden del todo con las observaciones: el halo es demasiado denso en el centro y demasiado "esponjoso" en los bordes. (Técnicamente hablando, son más isotérmicos de lo esperado). Si solo tuviéramos estas curvas de rotación, entonces MOND sería un líder claro.

Pero tenemos todo un universo.

Si propone una nueva teoría en lugar de GR, que a su vez reemplaza la gravedad newtoniana, debe observar tres condiciones:
1. Debe reproducir todos los éxitos de la teoría anterior.
2. Debe explicar el nuevo fenómeno (o fenómenos) para el cual fue desarrollado.
3. Debe hacer predicciones nuevas y únicas que puedan verificarse experimentalmente o por observación.

Y hay muchos éxitos en la teoría anterior.

Lentes gravitacionales de luz estelar con masa, incluidas lentes fuertes y débiles. Efecto Shapiro. Dilatación del tiempo gravitacional y desplazamiento al rojo. Una plataforma asociada con el Big Bang y el concepto de un universo en expansión. El movimiento de galaxias en cúmulos y cúmulos de galaxias a gran escala.

Y en todos estos casos, el MOND falla efectivamente, ya sea sin hacer predicciones o con predicciones que entren en conflicto con los datos. Si dices que MOND no es una teoría completa, sino una descripción de un fenómeno que puede conducir a una teoría completa, entonces sigue esperando. Mucha gente está trabajando en la expansión de MOND, lo que explicaría estas observaciones, pero hasta ahora no ha habido mucho éxito, incluida la teoría de TeVeS (gravedad tensor-vector-escalar), MoG (gravedad modificada) y otros.

Pero si abandona las leyes de gravedad de Einstein y simplemente agrega un nuevo ingrediente, materia fría y oscura, sin experimentar colisiones, puede explicar todo, incluidos detalles nuevos e interesantes.

Las fluctuaciones en el CMB pueden explicarse, incluidos los "picos acústicos" que no pueden existir sin alguna forma de materia oscura.

Puede explicar la naturaleza de los grupos, visibles en las estructuras a gran escala del Universo, incluida la gran curva en la parte superior, y las fluctuaciones en el mismo, si suponemos que la materia oscura es cinco veces más de lo habitual.

Y, lo más interesante, se puede hacer una nueva predicción: en la colisión de dos cúmulos de galaxias, el gas interno debe calentarse, disminuir la velocidad y emitir radiación de rayos X (rosa arriba), y la masa (azul) visible a través de lentes gravitacionales debe seguir la materia oscura y separarse de la radiografía. rayos Esta predicción nació de observaciones y duró los últimos diez años, sirviendo como evidencia indirecta de la existencia de materia oscura.

Entonces, Ryan, MOND no supera a la materia oscura: todavía explica las curvas de rotación de las galaxias mejor que la materia oscura. Pero esta no es una teoría física todavía, y es incompatible con todo el conjunto de observaciones que tenemos. Escuchamos sobre la materia oscura, ya que es capaz de darnos todo el universo, sin contradicciones. MOND puede ser la clave para una teoría de la gravedad más completa, y muchos esperan algún día deducir la fenomenología de MOND de la materia más oscura, ¡un objetivo bastante ambicioso!

Pero ahora MOND no está haciendo frente cosmológicamente, lo que lo hace mucho menos preferible que la materia oscura. Ella tiene sus propios seguidores y se merece un trabajo, pero hasta ahora esta no es una alternativa adecuada. Pero haga su versión, que:

1. Reproduce todos los éxitos de GR,
2. Explica un conjunto de nuevos fenómenos,
3. Hace nuevas predicciones predecibles

y cantaré de manera diferente, como cualquier científico correcto tendrá que hacer.

Pregúntele a Ethan No. 94: ¿Se hace la materia oscura?

¿Es posible que nuestros problemas hablen de los defectos de la teoría de la gravedad?

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