É possível que nossos problemas falem das falhas da teoria da gravidade?

Logo fiquei convencido de que toda teoria seria apenas um exercício vazio do cérebro e, portanto, uma perda de tempo, a menos que primeiro você descubra com o que o Universo realmente está cheio.
- Fritz Zwicky

No final da semana, vasculho suas cartas com perguntas e sugestões. Nesta semana, gostei da carta que contém as outras oportunidades de aprendizado de Ryan Schulz, que pergunta:

A última edição da Discover Magazine apresentou um longo artigo sobre a teoria radical de MOND e como suas capacidades preditivas fazem um excelente trabalho, e ninguém ainda encontrou matéria escura. Eu me pergunto o que é MOND, essa é uma teoria aceitável e, se é tão bem-sucedida, por que todos ouvimos sobre matéria escura, não sobre MOND?

Para entender do que se trata, você precisa ir ao século XIX e discutir os problemas que existiam muito antes do problema da "massa perdida" (ou "luz perdida") que a MOND está tentando resolver: os problemas de Urano e Mercúrio.

As leis da gravidade, desenvolvidas por Newton no século XVII, descreveram tudo com muito sucesso, não importando o que fosse aplicado. Do movimento de conchas voadoras a objetos rolantes, do peso de objetos a um pêndulo, da flutuabilidade de um barco à órbita da lua ao redor da Terra, a teoria da gravidade de Newton falhou.

As três leis de Kepler, casos especiais de gravidade newtoniana, foram aplicadas a todos os planetas conhecidos:

1. Cada planeta do sistema solar é desenhado em uma elipse, na qual um dos focos do sol.
2. Cada planeta se move em um plano que passa pelo centro do Sol e, por períodos iguais, o vetor de raio que conecta o Sol e o planeta descreve áreas iguais.
3. Os quadrados dos períodos de revolução dos planetas ao redor do Sol são referidos como cubos dos eixos semi-principais das órbitas dos planetas.

Todos os mundos conhecidos obedeceram a essas leis e, durante centenas de anos, nenhum desvio foi encontrado. Mas com a descoberta de Urano em 1781, tudo mudou. O novo planeta se moveu em uma elipse ao redor do Sol, mas sua velocidade não correspondia às previsões das leis da gravidade.

Nos primeiros 20 anos após a detecção, ela se moveu mais rápido do que o previsto. Nos próximos 20 a 25 anos, sua velocidade correspondeu à calculada. Depois diminuiu ainda mais a velocidade e caiu abaixo da velocidade calculada.

A lei da gravidade estava errada? Possivelmente. Mas talvez ainda houvesse alguma matéria, algum tipo de matéria invisível ou escura que puxou Urano e levou a esses desvios da órbita.

Descobriu-se que é. Após a guerra do teórico entre Urbain, Jean Joseph Leverrier e John Kuch Adams, durante o qual eles fizeram previsões independentes sobre a localização do novo planeta, em 23 de setembro de 1846, os cálculos de Leverrier foram confirmados por Johann Gottfried Galle e seu assistente Heinrich Louis D'Arre. Netuno foi descoberto, o primeiro objeto cuja existência foi prevista pelo efeito gravitacional de sua massa.

Por outro lado, o planeta mais interno, Mercúrio, como resultado da maior precisão dos instrumentos e medições observacionais acumulados ao longo dos séculos, começou a mostrar estranhos desvios das leis da gravidade. Kepler previu que os planetas deveriam se mover ao redor do Sol em elipses ideais com foco no Sol, mas apenas na ausência de outras massas que influenciam e perturbam o sistema. Mas existem outras massas, e Mercúrio não se move ao longo de uma elipse fechada ideal. A elipse comete uma precessão.

Usando as leis da gravidade de Newton, podemos levar em consideração a influência de todos os planetas, incluindo Netuno, e a precessão dos equinócios da Terra. Depois disso, encontramos apenas uma pequena diferença entre observações e previsões - uma precessão de 43 "em cem anos ou 0,012 ° em cem anos. Mas isso não é um acidente.

Então qual é o problema? Ainda existe uma massa desconhecida, possivelmente interna a Mercúrio? Ou o problema está na lei da gravidade? Foi realizada uma cansativa busca pelo planeta teórico Vulcano, localizado ainda mais perto do Sol. Mas não havia vulcão. A decisão veio em 1915, quando Einstein apresentou sua teoria geral da relatividade.

Avance rapidamente para a década de 1970 e observe as observações feitas por Vera Rubin. Observamos galáxias individuais - em particular, localizadas a nós por uma borda - e medimos suas velocidades. Olhamos para um lado da galáxia e vemos que ela se move em nossa direção (mudança azul), e depois olhamos para o outro, e ela se afasta de nós (desvio para o vermelho) - tudo graças à rotação da galáxia. Esperamos descobrir que as estrelas internas da galáxia giram mais rapidamente e que a velocidade de rotação diminui com a distância do centro. Mas vemos uma coisa completamente diferente.

Em vez disso, a velocidade de rotação da galáxia permanece constante à medida que se afasta do
centro. Porque Existem duas possibilidades: ou as leis da gravidade exigem correção, ou devemos assumir a existência de uma massa invisível adicional.

MOND, ou MOND - Dinâmica Newtoniana Modificada, foi notada pela primeira vez em 1981 por Moti Milgrom, que decidiu que, se mudarmos o efeito das leis de Newton em acelerações muito pequenas - em frações de nanômetro por segundo ao quadrado -, podemos obter exatamente essas curvas de rotação. A mesma mudança pode explicar a rotação de galáxias, de pequenas para grandes. E MOND ainda lida muito bem com isso.

A matéria escura, por outro lado, sugere que, além das partículas normais do Modelo Padrão, toda a matéria normal de “prótons, nêutrons e elétrons”, da qual quase tudo o que sabemos, é um novo tipo de matéria. Para explicar esse fenômeno rotacional, foi proposto um grande halo de matéria que não interage com a luz, não se agrupa consigo mesma e não interage com a matéria comum. Essa é a idéia da matéria escura.

Ela pode explicar essas curvas de rotação, mas não tão bem quanto MOND. As simulações numéricas do halo obtidas dos modelos mais simples de matéria escura não coincidem completamente com as observações: o halo é muito denso no centro e muito “fofo” nas bordas. (Tecnicamente falando, eles são mais isotérmicos do que o esperado). Se tivéssemos apenas essas curvas de rotação, o MOND seria um líder claro.

Mas nós temos um universo inteiro.

Se você propõe uma nova teoria no lugar de GR, que por sua vez substitui a gravidade newtoniana, precisa observar três condições:
1. Ela deve reproduzir todos os sucessos da teoria anterior.
2. Ele deve explicar o novo fenômeno (ou fenômenos) para o qual foi desenvolvido.
3. Ela deve fazer previsões novas e únicas que possam ser verificadas experimentalmente ou por observação.

E há muitos sucessos na teoria anterior.

Lente gravitacional da luz das estrelas com massa, incluindo lentes fortes e fracas. Efeito Shapiro. Dilatação do tempo gravitacional e desvio para o vermelho. Uma plataforma associada ao Big Bang e ao conceito de um universo em expansão. O movimento de galáxias em aglomerados e aglomerados de galáxias em larga escala.

E em todos esses casos, o MOND falha efetivamente, sem fazer previsões ou com previsões que conflitam com os dados. Se você diz que MOND não é uma teoria completa, mas uma descrição de um fenômeno que pode levar a uma teoria completa, continue esperando. Muitas pessoas estão trabalhando na expansão do MOND, o que explicaria essas observações, mas até agora não houve muito sucesso, incluindo a teoria de TeVeS (gravidade tensor vetor-escalar), MoG (gravidade modificada) e outras.

Mas se você deixar as leis da gravidade de Einstein e apenas adicionar um novo ingrediente, matéria fria e escura, sem sofrer colisões, poderá explicar tudo, incluindo novos e interessantes detalhes.

As flutuações no CMB podem ser explicadas, incluindo “picos acústicos” que não podem existir sem alguma forma de matéria escura.

Você pode explicar a natureza dos aglomerados, visíveis em estruturas de larga escala do Universo, incluindo a grande curva no topo e as flutuações nela, se assumirmos que a matéria escura é cinco vezes mais que o normal.

E, mais interessante, uma nova previsão pode ser feita: na colisão de dois aglomerados de galáxias, o gás interno deve aquecer, desacelerar e emitir radiação de raios-x (rosa acima), e a massa (azul) visível através de lentes gravitacionais deve seguir a matéria escura e separar-se do raio-x raios. Essa previsão nasceu de observações e durou os últimos dez anos, servindo como evidência indireta da existência de matéria escura.

Então, Ryan, o MOND não supera a matéria escura: ainda explica as curvas de rotação das galáxias melhor do que a matéria escura. Mas essa ainda não é uma teoria física e é incompatível com todo o conjunto de observações que temos. Ouvimos falar da matéria escura, pois ela é capaz de nos dar todo o universo, sem contradições. MOND pode ser a chave para uma teoria mais completa da gravidade, e muitos esperam um dia deduzir a fenomenologia da MOND da matéria mais sombria - um objetivo bastante ambicioso!

Mas agora o MOND não está lidando cosmologicamente, o que o torna muito menos preferível do que a matéria escura. Ela tem seus próprios seguidores e merece um emprego, mas até agora essa não é uma alternativa adequada. Mas faça sua versão, que:

1. Reproduz todos os sucessos do GR,
2. Explica um conjunto de novos fenômenos.
3. Faz novas previsões previsíveis,

e cantarei de maneira diferente, como qualquer cientista certo precisará fazer.

Pergunte a Ethan No. 94: A matéria escura é feita?

É possível que nossos problemas falem das falhas da teoria da gravidade?

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