Est-il possible que nos problèmes parlent des défauts de la théorie de la gravité?

Je suis rapidement devenu convaincu que toute théorisation ne serait qu'un exercice vide du cerveau, et donc une perte de temps, à moins que vous ne découvriez d'abord ce dont l'Univers est vraiment rempli.
- Fritz Zwicky

À la fin de la semaine, je fouille dans vos lettres avec des questions et des suggestions. Cette semaine, j'ai aimé la lettre contenant le plus les autres opportunités d'apprentissage de Ryan Schulz, qui demande:

Le dernier numéro de Discover Magazine contenait un long article sur la théorie radicale de MOND et comment ses capacités prédictives font un excellent travail, et personne n'a encore trouvé de matière noire. Je me demande ce qu'est MOND, est-ce une théorie acceptable, et si elle réussit, pourquoi avons-nous tous entendu parler de matière noire, pas MOND?

Pour comprendre de quoi il s'agit, il faut aller au XIXe siècle et discuter des problèmes qui existaient bien avant le problème de la "masse manquante" (ou "lumière manquante") que MOND tente de résoudre: les problèmes d'Uranus et de Mercure.

Les lois de la gravité, développées par Newton au XVIIe siècle, décrivaient tout avec beaucoup de succès, quoi qu'il en soit. Du mouvement des obus volants aux objets roulants, du poids des objets au pendule, de la flottabilité d'un bateau à l'orbite de la lune autour de la terre, la théorie de la gravité de Newton a échoué.

Les trois lois de Kepler, des cas particuliers de gravité newtonienne, ont été appliquées à toutes les planètes connues:

1. Chaque planète du système solaire est dessinée dans une ellipse, dans laquelle l'un des foyers du soleil.
2. Chaque planète se déplace dans un plan passant par le centre du Soleil, et pour des périodes de temps égales, le vecteur de rayon reliant le Soleil et la planète décrit des zones égales.
3. Les carrés des périodes de révolution des planètes autour du Soleil sont appelés cubes des axes semi-majeurs des orbites des planètes.

Tous les mondes connus obéissaient à ces lois, et pendant des centaines d'années aucune déviation n'a été trouvée. Mais avec la découverte d'Uranus en 1781, tout a changé. La nouvelle planète s'est déplacée dans une ellipse autour du Soleil, mais sa vitesse ne correspondait pas aux prédictions des lois de la gravité.

Au cours des 20 premières années après la détection, elle s'est déplacée plus rapidement que prévu. Au cours des 20-25 prochaines années, sa vitesse correspondait à celle calculée. Ensuite, il a ralenti encore plus et la vitesse est tombée en dessous de celle calculée.

La loi de la gravité était-elle mauvaise? C'est possible. Mais peut-être y avait-il encore de la matière, une sorte de matière invisible ou sombre qui attirait Uranus et conduisait à ces déviations de l'orbite.

Il s'est avéré que c'est le cas. Après une guerre de théoriciens entre Urbain, Jean Joseph Leverrier et John Couch Adams, au cours de laquelle ils ont fait des prédictions indépendantes sur l'emplacement d'une nouvelle planète, Johann Gottfried Galle et son assistant Heinrich Louis D'Arre ont confirmé le 23 septembre 1846. Neptune a été découvert, le premier objet dont l'existence était prédite par l'effet gravitationnel de sa masse.

D'un autre côté, la planète la plus intérieure, Mercure, en raison de la précision accrue des instruments d'observation et des mesures accumulées au cours des siècles, a commencé à montrer d'étranges déviations par rapport aux lois de la gravité. Kepler a prédit que les planètes devraient se déplacer autour du Soleil dans des ellipses idéales avec une focalisation dans le Soleil, mais uniquement en l'absence d'autres masses qui influencent et perturbent le système. Mais il existe d'autres masses et Mercure ne se déplace pas le long d'une ellipse fermée idéale. L'ellipse commet une précession.

En utilisant les lois de la gravité de Newton, nous pouvons prendre en compte l'influence de toutes les planètes, y compris Neptune, et la précession des équinoxes de la terre. Après cela, nous ne trouvons qu'une petite différence entre les observations et les prédictions - une précession de 43 "en cent ans, ou 0,012 ° en cent ans. Mais ce n'est pas un accident.

Alors, quel est le problème? Y a-t-il encore une masse inconnue, peut-être interne à Mercure? Ou est le problème dans la loi de la gravité? Une recherche fatigante a été menée pour la planète théorique Vulcan, située encore plus près du Soleil. Mais il n'y avait pas de volcan. La décision est venue en 1915, quand Einstein a présenté sa théorie générale de la relativité.

Avançons rapidement dans les années 1970 et regardez les premières observations faites par Vera Rubin. Nous observons des galaxies individuelles - en particulier, qui nous sont situées par un bord - et mesurons leurs vitesses. Nous regardons un côté de la galaxie, et nous voyons qu'il se déplace vers nous (décalage bleu), puis nous regardons l'autre, et il s'éloigne de nous (décalage rouge) - tout cela grâce à la rotation de la galaxie. Nous nous attendons à constater que les étoiles intérieures de la galaxie tournent plus rapidement et que la vitesse de rotation diminue avec la distance du centre. Mais nous voyons une chose complètement différente.

Au lieu de cela, la vitesse de rotation de la galaxie reste constante lorsqu'elle s'éloigne du
centre. Pourquoi Il y a deux possibilités: soit les lois de la gravité nécessitent une correction, soit nous devons supposer l'existence d'une masse supplémentaire invisible.

MOND, ou MOND - Modified Newtonian Dynamics, a été noté pour la première fois en 1981 par Moti Milgrom, qui a décidé que si nous modifions l'effet des lois de Newton à de très petites accélérations - à des fractions de nanomètre par seconde au carré - nous pouvons obtenir exactement ces courbes de rotation. Le même changement peut expliquer la rotation des galaxies, de petite à grande. Et MOND s'en sort toujours très bien.

La matière noire, d'autre part, suggère qu'en plus des particules ordinaires du modèle standard, toute la matière normale des «protons, neutrons et électrons», dont presque tout ce que nous savons, est un nouveau type de matière. Pour expliquer ce phénomène de rotation, un grand halo de matière a été proposé qui n'interagit pas avec la lumière, ne s'agglutine pas avec elle-même et n'interagit pas avec la matière ordinaire. C'est l'idée de la matière noire.

Elle peut expliquer ces courbes de rotation, mais pas aussi bien que MOND. Les simulations numériques du halo obtenues à partir des modèles les plus simples de matière noire ne coïncident pas tout à fait avec les observations: le halo est trop dense au centre et trop "pelucheux" aux bords. (Techniquement parlant, ils sont plus isothermes que prévu). Si nous n'avions que ces courbes de rotation, alors MOND serait un leader clair.

Mais nous avons tout un univers.

Si vous proposez une nouvelle théorie à la place de GR, qui à son tour remplace la gravité newtonienne, vous devez observer trois conditions:
1. Elle doit reproduire tous les succès de la théorie précédente.
2. Il doit expliquer le ou les nouveaux phénomènes pour lesquels il a été développé.
3. Elle doit faire de nouvelles prédictions uniques qui pourraient être vérifiées expérimentalement ou par observation.

Et il y a beaucoup de succès dans la théorie précédente.

Lentille gravitationnelle de la lumière des étoiles avec masse, y compris les lentilles fortes et faibles. Effet Shapiro. Dilatation gravitationnelle et redshift. Une plateforme associée au Big Bang et au concept d'un univers en expansion. Le mouvement des galaxies en amas et amas de galaxies à grande échelle.

Et dans tous ces cas, le MOND échoue effectivement, soit sans faire de prédictions, soit avec des prédictions en conflit avec les données. Si vous dites que MOND n'est pas une théorie complète, mais une description d'un phénomène qui peut conduire à une théorie complète, alors continuez à espérer. Beaucoup de gens travaillent sur l'expansion de MOND, ce qui expliquerait ces observations, mais jusqu'à présent, il n'y a pas eu beaucoup de succès, y compris la théorie de TeVeS (gravité tenseur-vecteur-scalaire), MoG (gravité modifiée) et d'autres.

Mais si vous quittez les lois de la gravité d'Einstein et ajoutez simplement un nouvel ingrédient, de la matière froide et sombre, ne subissant pas de collisions, vous pouvez tout expliquer, y compris de nouveaux détails intéressants.

Les fluctuations du CMB peuvent être expliquées, y compris les «pics acoustiques» qui ne peuvent exister sans une certaine forme de matière noire.

Vous pouvez expliquer la nature des amas, visibles dans les structures à grande échelle de l'Univers, y compris la grande courbe en haut et ses fluctuations, si nous supposons que la matière noire est cinq fois plus que d'habitude.

Et, plus intéressant encore, une nouvelle prédiction peut être faite: lors de la collision de deux amas de galaxies, le gaz interne devrait se réchauffer, ralentir et émettre des rayons X (rose ci-dessus), et la masse (bleue) visible à travers les lentilles gravitationnelles devrait suivre la matière noire et se séparer des rayons X rayons. Cette prédiction est née d'observations et a duré au cours des dix dernières années, servant de preuve indirecte de l'existence de la matière noire.

Donc, Ryan, MOND ne surpasse pas la matière noire: il explique toujours mieux les courbes de rotation des galaxies que la matière noire. Mais ce n'est pas encore une théorie physique, et elle est incompatible avec l'ensemble des observations que nous avons. Nous entendons parler de matière noire, car elle est capable de nous donner l'univers entier, sans contradictions. MOND peut être la clé d'une théorie de la gravité plus complète, et beaucoup espèrent un jour déduire la phénoménologie de MOND de la matière la plus sombre - un objectif assez ambitieux!

Mais maintenant, MOND ne fait pas face cosmologiquement, ce qui le rend beaucoup moins préférable que la matière noire. Elle a ses propres disciples et elle mérite un emploi, mais jusqu'à présent, ce n'est pas une alternative appropriée. Mais faites sa version, qui:

1. Reproduit tous les succès de GR,
2. Explique un ensemble de nouveaux phénomènes,
3. Fait de nouvelles prédictions prévisibles,

et je chanterai différemment, comme tout bon scientifique devra le faire.

Demandez à Ethan n ° 94: la matière noire est-elle faite?

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