Acești fizicieni preferă noua teorie a gravitației

Folosind legile fizicii lui Newton, putem modela mișcările planetelor din sistemul solar cu acuratețe deplină. Cu toate acestea, la începutul anilor 1970, oamenii de știință au descoperit asta Acest lucru nu a funcționat pentru el galaxii de disc Stelele de la marginile lor exterioare, departe de forța gravitațională a întregii materie din centrul lor, se mișcau mult mai repede decât a prezis teoria lui Newton.

Drept urmare, fizicienii au sugerat că o substanță invizibilă numită „materie întunecată„A furnizat o atracție gravitațională suplimentară, determinând stelele să accelereze – o teorie care a devenit larg acceptată. Cu toate acestea, într-un ultima recenzie Eu și colegii mei sugerăm că observațiile pe o gamă largă de scale sunt mult mai bine explicate într-o teorie alternativă a gravitației numită dinamica milgromiană sau lun – Nu necesita nici un material invizibil. A fost propus pentru prima dată de fizicianul israelian Mordechai Milgrom în 1982.

Ipoteza de bază a lui Mond este că atunci când gravitația devine prea slabă, așa cum se întâmplă lângă marginea galaxiilor, începe să se comporte diferit față de fizica newtoniană. În acest fel, este posibil explica De ce stelele, planetele și gazele de la periferia a peste 150 de galaxii se învârt mai repede decât se aștepta, doar pe baza masei lor vizibile. Cu toate acestea, Mond nu este numai explica Ca și curbele de rotație, în multe cazuri, Aştepta ei.

filozofii științei argumentează Că această putere de predicție îl face pe Mond superior modelului cosmologic standard, care sugerează că există mai multă materie întunecată în univers decât materie vizibilă. Acest lucru se datorează faptului că, conform acestui model, galaxiile conțin o cantitate extrem de incertă de materie întunecată care depinde de detaliile modului în care s-a format galaxia – pe care nu o știm întotdeauna. Acest lucru face imposibil de prezis cât de repede se rotesc galaxiile. Dar astfel de predicții sunt făcute în mod obișnuit cu Mond și asta a fost confirmat până acum.

Imaginează-ți că știm distribuția masei vizibile într-o galaxie, dar nu știm încă viteza de rotație a acesteia. În Modelul Cosmic Standard, s-ar putea spune doar cu o oarecare încredere că viteza de rotație ar fi între 100 km/s și 300 km/s în suburbii. Mond oferă o predicție mai specifică că viteza de rotație ar trebui să fie în intervalul 180-190 km/s.

Dacă observațiile ulterioare dezvăluie o viteză de rotație de 188 km/s, aceasta este de acord cu ambele teorii – dar Mond este în mod clar favoritul. Aceasta este o versiune recentă a Briciul lui Occam – că soluția cea mai simplă este mai bună decât soluțiile mai complexe, caz în care trebuie să explicăm notele cu un număr cât mai mic de „parametri liberi”. Parametrii liberi sunt constante – anumite numere pe care trebuie să le introducem în ecuații pentru a le face să funcționeze. Dar teoria în sine nu le-a dat – nu există niciun motiv pentru a exista vreo valoare anume – așa că trebuie să o măsurăm prin observație. Un exemplu este constanta gravitațională, G, în teoria sau magnitudinea gravitațională a lui Newton materie întunecată în galaxii în cadrul Modelului Cosmologic Standard.

Am introdus un concept cunoscut sub numele de „elasticitate teoretică” pentru a surprinde ideea din spatele codului lui Occam că o teorie cu cei mai mulți parametri liberi este în concordanță cu o gamă mai largă de date – făcând-o mai complexă. În revizuirea noastră, am folosit acest concept atunci când am testat modelul cosmologic Standard și Mond împotriva diferitelor observații astronomice, cum ar fi rotația galaxiilor și mișcările în cadrul clusterelor de galaxii.

De fiecare dată, am dat un scor de elasticitate teoretic între -2 și +2. Un scor de -2 indică faptul că modelul face o predicție clară și precisă fără a se uita la date. Dimpotrivă, +2 înseamnă „orice merge” – teoreticienii ar fi putut să se potrivească cu aproape orice rezultat rezonabil de observație (din moment ce există atât de mulți parametri liberi). De asemenea, am evaluat cât de bine se potrivește fiecare model observațiilor, unde +2 indică potrivire excelentă și -2 este rezervat pentru observațiile care arată în mod clar că teoria este falsă. Apoi scădem gradul de flexibilitate teoretică din cel de acord cu observațiile, deoarece potrivirea bine a datelor este bună – dar a fi capabil să se potrivească cu orice este rău.

O teorie bună ar face predicții clare care au fost confirmate ulterior, iar un scor combinat de +4 la multe teste diferite ar fi mai bun (+2 – (- 2) = +4). O teorie proastă va obține un scor între 0 și -4 (-2 – (+ 2) = -4). Predicțiile precise pot eșua în acest caz – și este puțin probabil să funcționeze cu o fizică greșită.

Am găsit un scor mediu pentru Modelul cosmologic standard de -0,25 la 32 de teste, în timp ce Mond a obținut un scor mediu de +1,69 la 29 de teste. Scorurile pentru fiecare teorie la multe teste diferite sunt prezentate în figurile 1 și 2 de mai jos pentru modelul cosmologic Standard și, respectiv, Mond.

Figura 1. Compararea modelului cosmologic standard cu observațiile bazate pe cât de bine se potrivesc datele cu teorie (optimizare de jos în sus) și cât de flexibil este în potrivire (înălțimea de la stânga la dreapta). Cercul gol nu este luat în considerare în evaluarea noastră, deoarece acele date au fost folosite pentru a seta parametri liberi. Reproduce din tabelul 3 al recenziei noastre. credit: Arxiv

Figura 2. Similar cu figura 1, dar pentru Mond cu particule virtuale care interacționează numai prin gravitație, se numesc neutrini sterili. Rețineți că nu există o falsificare aparentă. Reproduce din tabelul 4 al recenziei noastre. credit: Arxiv

Este imediat clar că nu au fost identificate probleme semnificative pentru Mond, care este cel puțin de acord în mod rezonabil cu toate datele (rețineți că cele două rânduri de jos care indică falsificarea sunt goale în Figura 2).

probleme cu materia întunecată

Una dintre cele mai izbitoare eșecuri ale Modelului Cosmic Standard are legătură cu „galaxiile bar” – regiuni strălucitoare, în formă de tijă, formate din stele – în care galaxiile spirale se găsesc adesea în regiunile lor centrale (vezi imaginea principală). Barele se rotesc în timp. Dacă galaxiile ar fi încorporate în halouri uriașe de materie întunecată, tijele lor ar încetini. Cu toate acestea, cele mai multe, dacă nu toate, benzile galactice observate sunt rapide. aceasta este fals Model Cosmic Standard cu încredere foarte mare.

O altă problemă este că modele originale Că galaxiile propuse au halouri de materie întunecată a făcut o mare greșeală – au presupus că particulele de materie întunecată furnizează gravitație materiei din jurul lor, dar nu sunt afectate de atracția gravitațională a materiei obișnuite. Acest lucru simplifică calculele, dar nu reflectă realitatea. Când acest lucru a fost luat în considerare în Simulări ulterioare Era clar că halourile de materie întunecată din jurul galaxiilor nu explică în mod fiabil proprietățile acestora.

Există multe alte eșecuri ale Modelului Cosmologic Standard pe care le-am analizat în recenzia noastră, iar Mond a fost adesea capabil să explicat firesc Note. Cu toate acestea, motivul pentru care Modelul Cosmologic Standard este atât de popular se poate datora erorilor de calcul sau cunoașterii limitate a eșecurilor sale, dintre care unele au fost descoperite recent. Se poate datora și reticenței oamenilor de a modifica teoria gravitației, care a avut atât de mult succes în multe alte domenii ale fizicii.

Avantajul mare al lui Mond față de Modelul Cosmologic Standard din studiul nostru ne-a determinat să concluzionam că observațiile disponibile îl favorizează puternic pe Mond. Deși nu pretindem că Mond este perfect, credem totuși că corectează imaginea de ansamblu – galaxiilor chiar le lipsește materia întunecată.

A fost scris de Indranil Banik, cercetător postdoctoral în astrofizică, Universitatea St Andrews.

Acest articol a fost publicat pentru prima dată în Conversaţie.

Referință: „De la barele galactice la tensiunea Hubble: cântărirea dovezilor astrofizice pentru gravitația melgromiană”
De Indranil Banik și Hongsheng Zhao, 27 iunie 2022, disponibil aici. simetrie.
DOI: 10.3390 / sym14071331