Mungkinkah masalah kita berbicara tentang kekurangan teori gravitasi?

Saya segera menjadi yakin bahwa semua teori hanya akan menjadi latihan otak yang kosong, dan oleh karena itu buang-buang waktu, kecuali pertama-tama Anda mencari tahu apa yang sebenarnya dipenuhi Alam Semesta.
- Fritz Zwicky

Di akhir minggu, saya mencari-cari di surat Anda dengan pertanyaan dan saran. Minggu ini, saya paling suka surat yang berisi peluang belajar lain dari Ryan Schulz, yang bertanya:

Edisi terbaru Discover Magazine menampilkan artikel panjang tentang teori radikal MOND dan bagaimana kemampuan prediktifnya melakukan pekerjaan yang sangat baik, dan belum ada yang menemukan materi gelap. Saya bertanya-tanya apa itu MOND, apakah ini teori yang dapat diterima, dan jika itu sangat sukses, mengapa kita semua mendengar tentang materi gelap, bukan MOND?

Untuk memahami apa itu, Anda harus pergi ke abad ke-19 dan membahas masalah yang ada jauh sebelum masalah "massa hilang" (atau "cahaya hilang") yang coba diselesaikan oleh MOND: masalah Uranus dan Merkurius.

Hukum gravitasi, yang dikembangkan oleh Newton pada abad XVII, sangat berhasil menggambarkan segalanya, apa pun yang diterapkan. Dari pergerakan cangkang terbang ke benda-benda bergulir, dari berat benda ke pendulum, dari daya apung kapal ke orbit bulan di sekitar bumi, teori gravitasi Newton gagal.

Tiga hukum Kepler, kasus khusus gravitasi Newton, diterapkan pada semua planet yang diketahui:

1. Setiap planet di tata surya ditarik dalam elips, di mana salah satu fokus matahari.
2. Setiap planet bergerak dalam sebuah pesawat yang melewati pusat Matahari, dan untuk periode waktu yang sama, vektor jari-jari yang menghubungkan Matahari dan planet tersebut menggambarkan daerah yang sama.
3. Kuadrat dari periode revolusi planet-planet di sekitar Matahari disebut sebagai kubus dari sumbu semi-mayor dari orbit planet-planet.

Semua dunia yang dikenal mematuhi hukum-hukum ini, dan selama ratusan tahun tidak ada penyimpangan yang ditemukan. Tetapi dengan ditemukannya Uranus pada 1781, semuanya berubah. Planet baru itu bergerak dalam bentuk elips mengelilingi Matahari, tetapi kecepatannya tidak sesuai dengan prediksi hukum gravitasi.

Dalam 20 tahun pertama setelah deteksi, dia bergerak lebih cepat dari yang diperkirakan. Dalam 20-25 tahun ke depan, kecepatannya sesuai dengan yang dihitung. Kemudian melambat lebih, dan kecepatan turun di bawah yang dihitung.

Apakah hukum gravitasi salah? Mungkin Tapi mungkin masih ada beberapa materi, beberapa jenis materi yang tidak terlihat, atau gelap, yang menarik Uranus dan menyebabkan penyimpangan orbit ini.

Ternyata memang begitu. Setelah perang teori antara Urbain, Jean Joseph Leverrier dan John Kuch Adams, di mana mereka membuat prediksi independen tentang lokasi planet baru, pada 23 September 1846, perhitungan Leverrier dikonfirmasi oleh Johann Gottfried Galle dan asistennya Heinrich Louis D'Arre. Neptunus ditemukan, objek pertama yang keberadaannya diprediksi oleh efek gravitasi massanya.

Di sisi lain, planet terdalam, Merkurius, sebagai hasil dari peningkatan akurasi instrumen pengamatan dan pengukuran yang terakumulasi selama berabad-abad, mulai menunjukkan penyimpangan aneh dari hukum gravitasi. Kepler meramalkan bahwa planet harus bergerak mengelilingi Matahari dalam bentuk elips ideal dengan fokus pada Matahari, tetapi hanya dengan tidak adanya massa lain yang mempengaruhi dan mengganggu sistem. Tetapi ada massa lain, dan Merkurius tidak bergerak sepanjang elips tertutup yang ideal. Elips melakukan presesi.

Dengan menggunakan hukum gravitasi Newton, kita dapat memperhitungkan pengaruh semua planet, termasuk Neptunus, dan presesi ekuinoks bumi. Setelah itu, kami hanya menemukan perbedaan kecil antara pengamatan dan prediksi - presesi 43 "dalam seratus tahun, atau 0,012 ° dalam seratus tahun. Tapi ini bukan kecelakaan.

Jadi ada apa? Apakah masih ada massa yang tidak diketahui, kemungkinan internal dari Merkurius? Atau masalah dalam hukum gravitasi? Pencarian melelahkan dilakukan untuk planet teoritis Vulcan, yang terletak lebih dekat ke Matahari. Tapi tidak ada gunung berapi. Keputusan itu datang pada tahun 1915, ketika Einstein mengajukan teori relativitas umumnya.

Maju cepat ke tahun 1970-an dan lihat pengamatan yang pertama kali dilakukan oleh Vera Rubin. Kami mengamati galaksi-galaksi individual - khususnya, yang terletak di tepi sebuah sisi - dan mengukur kecepatannya. Kita melihat satu sisi galaksi, dan melihat bahwa ia bergerak ke arah kita (pergeseran biru), dan kemudian kita melihat sisi yang lain, dan bergerak menjauh dari kita (pergeseran merah) - semua berkat rotasi galaksi. Kami berharap menemukan bahwa bintang-bintang bagian dalam galaksi berotasi lebih cepat, dan bahwa kecepatan rotasi berkurang dengan jarak dari pusat. Tapi kami melihat hal yang sangat berbeda.

Sebaliknya, kecepatan rotasi galaksi tetap konstan saat bergerak menjauh dari
pusat. Kenapa begitu Ada dua kemungkinan: hukum gravitasi memerlukan koreksi, atau kita harus mengasumsikan keberadaan massa tambahan yang tak terlihat.

MOND, atau MOND - Modified Newtonian Dynamics, pertama kali dicatat pada tahun 1981 oleh Moti Milgrom, yang memutuskan bahwa jika kita mengubah efek hukum Newton pada akselerasi yang sangat kecil - pada fraksi nanometer per detik kuadrat - kita bisa mendapatkan kurva rotasi tepat seperti ini. Perubahan yang sama dapat menjelaskan rotasi galaksi, dari kecil ke besar. Dan MOND masih bisa mengatasi ini dengan sangat baik.

Materi gelap, di sisi lain, menunjukkan bahwa selain partikel normal dari Model Standar, semua materi normal dari "proton, neutron, dan elektron", yang hampir semuanya kita ketahui, adalah jenis materi baru. Untuk menjelaskan fenomena rotasi ini, sejumlah besar halo diusulkan yang tidak berinteraksi dengan cahaya, tidak menggumpal dengan dirinya sendiri, dan tidak berinteraksi dengan materi biasa. Ini adalah gagasan materi gelap.

Dia bisa menjelaskan kurva rotasi ini, tetapi tidak sebaik MOND. Simulasi numerik dari halo yang diperoleh dari model materi gelap yang paling sederhana tidak cukup sesuai dengan pengamatan: halo terlalu padat di tengah dan terlalu "halus" di tepinya. (Secara teknis, mereka lebih isotermal dari yang diharapkan). Jika kita hanya memiliki kurva rotasi ini, maka MOND akan menjadi pemimpin yang jelas.

Tetapi kita memiliki seluruh alam semesta.

Jika Anda mengajukan teori baru sebagai pengganti GR, yang pada gilirannya menggantikan gravitasi Newton, Anda perlu mengamati tiga kondisi:
1. Ia harus mereproduksi semua keberhasilan teori sebelumnya.
2. Ini harus menjelaskan fenomena baru (atau fenomena) yang dikembangkannya.
3. Dia harus membuat prediksi baru dan unik yang dapat diverifikasi secara eksperimental atau dengan pengamatan.

Dan ada banyak keberhasilan dalam teori sebelumnya.

Lensa gravitasi bintang dengan gravitasi, termasuk lensa yang kuat dan lemah. Efek shapiro. Dilatasi waktu gravitasi dan pergeseran merah. Sebuah platform yang terkait dengan Big Bang dan konsep alam semesta yang mengembang. Pergerakan galaksi dalam kelompok dan kelompok galaksi dalam skala besar.

Dan dalam semua kasus ini, MOND secara efektif gagal, baik tanpa membuat prediksi, atau dengan prediksi yang bertentangan dengan data. Jika Anda mengatakan bahwa MOND bukan teori yang lengkap, tetapi deskripsi dari satu fenomena yang dapat mengarah pada teori yang lengkap, maka tetaplah berharap. Banyak orang bekerja pada perluasan MOND, yang akan menjelaskan pengamatan ini, tetapi sejauh ini belum banyak berhasil, termasuk teori TeVeS (tensor-vector-skalar gravity), MoG (modified gravity) dan lainnya.

Tetapi jika Anda meninggalkan hukum gravitasi Einstein dan hanya menambahkan bahan baru, materi dingin dan gelap, tidak mengalami tabrakan, Anda dapat menjelaskan semuanya, termasuk detail baru yang menarik.

Fluktuasi dalam CMB dapat dijelaskan, termasuk "puncak akustik" yang tidak dapat eksis tanpa suatu bentuk materi gelap.

Anda dapat menjelaskan sifat klaster, terlihat dalam struktur skala besar Alam Semesta, termasuk kurva besar di bagian atas, dan fluktuasi di dalamnya, jika kita mengasumsikan bahwa materi gelap lima kali lebih banyak dari biasanya.

Dan, yang paling menarik, prediksi baru dapat dibuat: dalam tabrakan dua kelompok galaksi, gas internal harus memanas, memperlambat dan memancarkan radiasi sinar-x (merah muda di atas), dan massa (biru) yang terlihat melalui pelensaan gravitasi harus mengikuti materi gelap dan terpisah dari sinar-x sinar. Prediksi ini lahir dari pengamatan dan berlangsung selama sepuluh tahun terakhir, berfungsi sebagai bukti tidak langsung dari keberadaan materi gelap.

Jadi, Ryan, MOND tidak mengungguli materi gelap: itu masih menjelaskan kurva rotasi galaksi lebih baik daripada materi gelap. Tetapi ini belum merupakan teori fisik, dan itu tidak sesuai dengan seluruh rangkaian pengamatan yang kita miliki. Kita mendengar tentang materi gelap, karena ia mampu memberi kita seluruh alam semesta, tanpa kontradiksi. MOND mungkin menjadi kunci teori gravitasi yang lebih lengkap, dan banyak harapan suatu hari nanti dapat menyimpulkan fenomenologi MOND dari materi yang paling gelap - tujuan yang cukup ambisius!

Tapi sekarang MOND tidak mengatasi secara kosmologis, yang membuatnya jauh lebih tidak disukai daripada materi gelap. Dia memiliki pengikut sendiri dan dia pantas mendapatkan pekerjaan, tetapi sejauh ini ini bukan alternatif yang cocok. Tetapi buat versinya, yang:

1. Mereproduksi semua kesuksesan GR,
2. Menjelaskan serangkaian fenomena baru,
3. Membuat prediksi baru yang dapat diprediksi,

dan saya akan bernyanyi secara berbeda, seperti yang harus dilakukan oleh ilmuwan mana pun.

Tanyakan Ethan No. 94: Apakah Dark Matter Selesai?

Mungkinkah masalah kita berbicara tentang kekurangan teori gravitasi?

More articles: