Ini adalah terjemahan dari artikel oleh Mark Anderson dari New Scientist (18-24 Maret 2017).
Kekuatan yang sangat menarik
Secara teori, gravitasi harus menjadi kekuatan yang dapat diprediksi. Kami sangat mengenalnya, terima kasih padanya kami kuat di Bumi, dan atmosfer kami tidak terbang ke luar angkasa. Jika kita mengambil skala yang lebih besar, maka gaya ini memengaruhi evolusi alam semesta itu sendiri. Betapa menghinanya bahwa gravitasi terkadang mengecewakan kita. Untuk menjelaskan rotasi spiral dari galaksi dan kelompok galaksi berdasarkan gravitasi dalam bentuk yang kita pahami, kita perlu membuat bentuk materi yang sama sekali baru yang belum pernah disaksikan oleh siapa pun - materi gelap secara langsung. Untuk menjelaskan percepatan ekspansi Semesta, kita perlu menciptakan entitas yang sama misteriusnya - energi gelap.
Tetapi bagaimana jika kita tidak pernah sepenuhnya memahami gravitasi? Bagaimana jika gravitasi tidak sesuai dengan aturan di suatu tempat di luar bidang visi kita?
Berpikir demikian praktis adalah bid'ah, meskipun gagasan seperti itu bukanlah hal baru. Namun, baru-baru ini, penelitian terbaru tentang galaksi dan hasil tak terduga dari bidang informatika kuantum telah mendorong kita dengan kekuatan baru untuk memikirkan kembali pemahaman kita tentang gravitasi. Gagasan radikal baru muncul di mana gagasan kita tentang ruang-waktu dan esensi gravitasi diubah secara menyeluruh. Tidak ada tempat untuk materi gelap dalam gambar baru dunia, dan energi gelap, alih-alih melawan gravitasi, sebagian dapat menghasilkannya.
Hampir semua yang kita ketahui tentang gravitasi diberikan kepada kita oleh Isaac Newton dan Albert Einstein. Newton menjelaskan kepada kita bahwa gaya tarik berkurang secara terbalik dengan kuadrat jarak, dan Einstein - bahwa gravitasi muncul sebagai hasil dari kelengkungan ruang-waktu oleh benda-benda besar.
Hukum gravitasi universal Newton menyatakan bahwa pada bintang-bintang yang lebih jauh dari pusat galaksi, gaya gravitasi lebih lemah daripada pada bintang-bintang yang terletak lebih dekat ke pusat galaksi, sehingga kecepatan bintang sebelumnya lebih rendah. Namun, pada 1970-an, para astronom, termasuk Vera Rubin, memperhatikan bahwa kecepatan bintang yang jauh dari pusat galaksi tidak menurun seperti yang diperkirakan. Sebagai gantinya, kecepatannya mendatar, yang hanya bisa dijelaskan dengan kehadiran beberapa materi tak kasatmata yang mengelilingi galaksi dan menciptakan daya tarik tambahan. Sejak itu, kami tidak berhasil menemukan masalah ini.
Game tidak sesuai aturan
Benar, tidak semua berpartisipasi dalam pencarian. Pada 1980-an, Mordehai Milgrom, yang saat itu bekerja di Universitas Princeton, menunjukkan bahwa kita dapat menjelaskan keanehan dalam kecepatan rotasi galaksi tanpa partisipasi materi gelap. Untuk melakukan ini, kita hanya perlu membuang gagasan bahwa dengan meningkatnya jarak, gravitasi selalu berperilaku seperti yang diprediksi oleh Newton dan Einstein. Teori Milgrom, dikenal sebagai MOND (Modified Newtonian Dynamics), menunjukkan bahwa gravitasi melemah lebih lancar daripada yang diklaim Newton. Segera setelah percepatan suatu benda yang disebabkan oleh gravitasi turun di bawah nilai tertentu, atau lebih tepatnya menjadi 82 miliar kali lebih lemah dari percepatan gravitasi di Bumi, gravitasi tiba-tiba beralih ke mode baru.
Milgrom mencapai beberapa keberhasilan dengan menerapkan teorinya pada galaksi spiral, tetapi MOND tidak banyak digunakan. Untuk memulainya, dengan bantuannya tidak mungkin untuk menghitung kelompok galaksi yang tidak dapat membentuk kelompok yang tepat tanpa partisipasi materi gelap atau tanpa membuat perubahan yang lebih radikal pada teori gravitasi selain yang diizinkan oleh MOND. Plus, perubahan yang disarankan oleh teori ini tampak terlalu acak. Mengapa gaya gravitasi tiba-tiba berubah pada titik yang tampaknya arbitrer ini?
Dan, bagaimanapun, MOND masih tetap mengapung dan pada tingkat yang lebih rendah karena fakta bahwa materi gelap tidak pernah terdeteksi. "Ada dua kemungkinan," kata John Moffat dari Institut Perimeter untuk Fisika Teoretis di Waterloo, Kanada, "baik kita akan menemukan sumber daya tarik tambahan yang tidak terlihat dan memastikan bahwa Newton dan Einstein benar, atau kita tidak akan menemukan apa pun. Dalam hal ini, kita perlu memperbaiki gravitasi. "
Tahun lalu, mungkin, akhirnya, titik balik datang. Stacy McGaugh, seorang astronom di Universitas Case Western Reserve di Cleveland, Ohio, dan rekan-rekannya melihat kembali lebih dari 150 galaksi spiral kulit dengan galaksi Bima Sakti kita. Ketika mereka membandingkan gaya tarik yang dihitung dengan kecepatan rotasi piringan galaksi, mereka menemukan bahwa semakin dekat ke tepi piringan, bintang-bintang berputar pada kecepatan tinggi yang tidak normal.
Dan bagaimana dengan ini? Bagaimanapun, justru perilaku inilah yang telah kita amati berulang kali sebelumnya, dan itu dapat dijelaskan dengan menyelimuti galaksi dengan awan materi gelap. Namun, dalam evaluasi statistik, McGaw menggunakan kontrol silang. Dia mengambil semua materi yang terlihat di semua galaksi dan membandingkan daya tarik materi ini di setiap titik dengan kecepatan rotasi bintang-bintang terdekat. Akibatnya, ia menerima hubungan yang sangat dekat antara kecepatan rotasi galaksi dan distribusi materi yang terlihat yang dikandungnya.
Lee Smolin, seorang ahli teori di Perimeter Institute di Kanada, sangat terkejut. Hubungan seperti itu "setara dengan hukum alam," katanya. Anda tidak mengharapkan ini terjadi jika sesuatu selain materi yang terlihat memengaruhi galaksi.
Yang lebih mengejutkan adalah kenyataan bahwa hubungan yang erat antara materi yang terlihat dan gerakan bintang-bintang ini tetap berada dalam berbagai galaksi yang berbeda, meskipun materi gelap di dalamnya terdistribusi secara berbeda. Materi gelap seharusnya tidak patuh mengikuti materi biasa. Oleh karena itu, apakah itu berinteraksi dengan materi biasa atau itu sendiri lebih kuat dari apa yang diprediksi oleh model sederhana, atau ada sesuatu yang salah dengan gravitasi.
Pekerjaan McGaw bukan satu-satunya alasan memaksa kita untuk mengajukan pertanyaan sesat ini lagi. Salah satu masalah terbesar untuk MOND adalah perilaku cluster galaksi. Seperti bintang-bintang di tepi galaksi, galaksi di tepi cluster juga bergerak terlalu cepat - sebuah fakta yang dijelaskan oleh materi gelap. Pengamatan efek pelensaan gravitasi (sedikit kelengkungan cahaya oleh medan gravitasi benda-benda masif) menunjukkan bahwa gaya tambahan yang memberikan kecepatan kepada galaksi bukanlah tempat materi terlihat. Sangat tidak mungkin untuk menjelaskan perilaku kelompok galaksi tanpa partisipasi materi yang tak terlihat, setidaknya itu diyakini.
Contoh paling terkenal adalah Bullet cluster (Bullet CLuster 1E 0657-558, gambar judul), dinamai karena kemiripannya dengan gambar gerak lambat dari peluru yang merobek target secara terpisah. Bagi banyak pemburu materi gelap, ini adalah bukti terbaik bahwa mereka berburu binatang buas ini tanpa sia-sia, dan itu ada. Tetapi Pavel Kroupa dari University of Bonn di Jerman mengklaim sebaliknya - tabrakan intergalaksi berkecepatan tinggi ini hanya dapat dijelaskan oleh teori MOND.
"Membandingkan dengan gambar peluru yang mengenai sasaran tentu saja merupakan lelucon bagi massa," katanya. Krupa mengklaim bahwa dalam kerangka waktu yang realistis, gravitasi standar terlalu lemah untuk menyebabkan tabrakan galaksi yang panas dan keras seperti yang kita amati dalam kelompok Bullet. Materi gelap pada tahap awal tabrakan dapat memberikannya kecepatan tinggi yang kita amati, tetapi itu sudah akan mengganggu semua interaksi selanjutnya. "Lingkaran materi gelap menyerupai jaring," kata Krupa. "Ia menangkap galaksi mana pun di jalurnya." Oleh karena itu, sepasang galaksi bertabrakan yang terus bergerak dengan kecepatan tinggi bahkan setelah tabrakan sangat sulit untuk dijelaskan. "Ini adalah masalah besar, besar untuk model kosmologi standar," kata Krupa. "Tetapi dengan gravitasi yang dimodifikasi ... tidak ada masalah seperti itu."
Inti dari MOND adalah bahwa pada jarak galaksi dan intergalaksi, di mana kita tidak dapat secara langsung mengukur gaya gravitasi, itu lebih kuat dari yang kita duga. Dan ini, dan bukan beberapa materi yang tak terlihat, akan menjadi penjelasan paling sederhana mengapa materi pada skala seperti itu bergerak lebih cepat dan bertabrakan lebih dari yang diprediksi Newton dan Einstein.
Ini tidak berarti bahwa teori MOND tidak memiliki masalah yang pasti ketika datang ke interaksi dalam cluster galaksi. Dalam cluster Bullet menggunakan teleskop, kami mengidentifikasi dua tempat berbeda di mana pelensaan gravitasi lebih jelas, yang berarti ada konsentrasi massa yang lebih tinggi, yang tidak sesuai dengan jumlah materi biasa yang kami amati di tempat-tempat ini.
Milgrom menegaskan bahwa masalah ini bukan ancaman yang mengerikan bagi modelnya, seperti yang diyakini banyak orang. "Hanya sedikit jumlah yang tidak terhitung untuk massa, yang dapat berubah menjadi materi yang paling biasa, misalnya, bintang mati atau awan gas dingin, yang belum kami temukan, sudah cukup," katanya.
Tetapi sementara pengamatan belum mengkonfirmasi hal ini, ilmuwan lain mencari solusi teoritis untuk masalah ini. Salah satu solusi tersebut adalah model hibrida di mana materi gelap berperilaku seperti manusia serigala - ia melewati galaksi dengan bebas, menciptakan gravitasi tambahan, konsisten dengan teori MOND, tetapi dalam kelompok galaksi ia berperilaku seperti materi gelap biasa.
Pilihan lain yang tiba-tiba menjadi mode lagi adalah memodifikasi MOND. Itulah tepatnya yang dilakukan Moffat. Dalam pemahamannya, gaya tarik berubah setelah menambahkan gaya tolak, yang pada gilirannya tergantung pada jarak, oleh karena itu, pada jarak kecil, gaya tarik mematuhi hukum kuadrat terbalik Newton, tetapi di pinggiran galaksi itu melemah. Dalam gambaran dunia yang demikian, gravitasi lebih kuat dari yang diyakini Newton, dan berperilaku seperti yang diprediksi oleh MOND.
Moffat mengklaim bahwa teorinya dapat menjelaskan rotasi galaksi dan kecepatan abnormal di cluster Bullet. Tetapi fitur utama teorinya adalah bahwa di dekat lubang hitam, kekuatan tarik-menarik lebih kuat daripada prediksi MOND, yang mungkin memberi kita kesempatan untuk menguji teori ini.
Jika kita bisa melihat lubang hitam, kita akan melihat cakram hitam dikelilingi oleh bayangan yang disebabkan oleh pelensaan gravitasi yang sangat kuat. Pada 2015, Moffat menghitung bahwa menurut teorinya, bayangan di sekitar lubang hitam supermasif di pusat Bima Sakti akan 10 kali lebih besar daripada yang diprediksi oleh GR. Dan kemudian Event Horizon memasuki lokasi
Telescope (EHT) - jaringan global teleskop radio, yang peluncurannya dijadwalkan untuk April tahun ini, untuk pertama kalinya dapat memperoleh gambar rinci lubang hitam. Setidaknya secara teoritis, kita dapat mengamati bayangan yang membengkak ini, jika, tentu saja, bayangan itu ada di sana.
Namun, apa pun yang kita pilih, teori MOND tradisional atau gravitasi Moffat yang dimodifikasi, ada masalah besar yang tidak dapat diabaikan - kurangnya teori fundamental. Mengapa gravitasi tiba-tiba menyimpang dari jalur yang ditetapkan Newton dan Einstein untuknya, dan bahkan, tampaknya, pada titik acak? Jawaban atas pertanyaan ini dapat diperoleh jika kita secara radikal merevisi pemahaman kita tentang esensi gravitasi.
Tahun lalu, Erik Verlinde dari Universitas Amsterdam di Belanda menawarkan perspektif baru tentang ini. Gravitasi, ia percaya, tidak muncul dengan sendirinya, tetapi sebagai hasil interaksi antara bit-bit informasi kuantum terjerat.
Keterjeratan adalah hubungan paradoks yang dalam dan pada saat yang sama sangat dalam antara pasangan atau kelompok partikel, ketika paparan satu partikel menyebabkan reaksi dalam yang lain, bahkan jika mereka dipisahkan oleh jarak yang besar. Sejak akhir 1990-an, fisikawan telah belajar bagaimana mendapatkan gravitasi Newton dan Einstein menggunakan jaringan bit kuantum terjerat. Masalahnya adalah ia hanya bekerja di alam semesta teoretis yang dikenal sebagai Ruang Anti-de Sitter, yang berperilaku berbeda dari alam semesta tempat kita hidup.
Perbedaan utama adalah bahwa di alam semesta kita, ruang hampa tidak begitu tenang dan tenang. Dia mendidih dengan energi gelap, substansi atau kekuatan misterius, yang diyakini bertanggung jawab untuk mempercepat ekspansi ruang-waktu.
Alih-alih mencoba memecahkan masalah ini, Ferlinde melihat bagaimana gravitasi, yang disebabkan oleh interaksi antara bit informasi kuantum terjerat, berperilaku di alam semesta di mana ada energi gelap. Sebagai hasilnya, ia mendapat gambaran gravitasi baru, di mana energi gelap memberi belitan bit kuantum sedikit elastisitas ekstra.
"Ternyata energi gelap adalah media elastis," kata Ferlinde, "dan jika Anda menambahkan massa di sana, ia merusak media ini." Elastisitas tambahan, ia menambahkan, diciptakan oleh energi gelap, mendorong gaya tarik pada jarak yang jauh, yang pada akhirnya mengarah pada munculnya efek tambahan pada jarak yang menyerupai teori MOND Milgrom.
Ide-ide Ferlinde memberi kesan besar, tetapi belum jelas seberapa terhubungnya mereka. "Dia mulai dengan energi gelap, dan mengatakan bahwa itu mengarah pada sesuatu yang menyerupai materi gelap," kata Sabine Hossenfelder dari Institut Studi Lanjutan Frankfurt di Jerman. “Dia melakukan yang terbaik untuk merekonsiliasi hipotesisnya dengan asumsi besar, yang dalam beberapa tahun terakhir telah mendapatkan popularitas besar, bahwa ruangwaktu muncul dari keterjeratan. Tapi saya tidak yakin ada kebutuhan. "
Dalam sebuah studi baru-baru ini, ditemukan bahwa jika kita mengambil sudut pandang Ferlinde tentang gravitasi, kita dapat menjelaskan anomali dalam pelensaan gravitasi yang diamati dekat sekitar 30.000 galaksi. Namun teorinya telah dikritik karena membuat prediksi yang sebenarnya berbeda dari MOND. Dalam satu karya ilmiah dalam co-authorhip dengan McGaugh, misalnya, dikatakan bahwa teori Ferlinde menyimpang dari MOND di utama - penjelasan tentang rotasi abnormal galaksi. Selain itu, teorinya memprediksi pergerakan planet, yang sebenarnya tidak kita amati di tata surya kita.
Smolin, pada bagiannya, mengusulkan upaya yang lebih sederhana untuk menurunkan fisika MOND dari prinsip-prinsip gravitasi kuantum, dan, tidak seperti teori Ferlinde, hasilnya tidak menyimpang dari teori MOND. Tak satu pun dari mereka mengklaim bahwa ia menerima teori gravitasi quantum lengkap. Tetapi satu hal yang jelas - untuk pertanyaan mengapa gravitasi berperilaku sangat aneh pada jarak yang jauh, para ahli teori mulai menerima jawaban.
"Kami tidak tahu ke mana teori terakhir akan mengarahkan kami, karena kami belum membawanya," kata McGaw. "Oleh karena itu, sebelum bergerak maju, kita tidak bisa mendapatkan apa pun dari saat kebingungan dan kebimbangan."