يفضل هؤلاء الفيزيائيون نظرية الجاذبية الجديدة

باستخدام قوانين نيوتن للفيزياء ، يمكننا نمذجة حركات الكواكب في النظام الشمسي بدقة تامة. ومع ذلك ، في أوائل السبعينيات ، اكتشف العلماء ذلك هذا لم ينجح من أجله المجرات القرصية – النجوم عند حوافها الخارجية ، بعيدًا عن قوة الجاذبية لكل المادة الموجودة في مركزها – كانت تتحرك أسرع بكثير مما تنبأت به نظرية نيوتن.

نتيجة لذلك ، اقترح الفيزيائيون أن مادة غير مرئية تسمى “المادة المظلمة“كان يوفر سحبًا جاذبية إضافيًا ، مما تسبب في تسريع النجوم – وهي نظرية أصبحت مقبولة على نطاق واسع. ومع ذلك ، في أ المراجعة الأخيرة أقترح أنا وزملائي أن الملاحظات عبر نطاق واسع من المقاييس يتم شرحها بشكل أفضل بكثير في نظرية بديلة للجاذبية تسمى ديناميكيات Milgromian أو موند – لا تتطلب أي مادة غير مرئية. تم اقتراحه لأول مرة من قبل الفيزيائي الإسرائيلي مورديهاي ميلغروم في عام 1982.

الافتراض الأساسي لموند هو أنه عندما تصبح الجاذبية ضعيفة جدًا ، كما يحدث بالقرب من حافة المجرات ، فإنها تبدأ في التصرف بشكل مختلف عن الفيزياء النيوتونية. بهذه الطريقة ، من الممكن يشرح لماذا تدور النجوم والكواكب والغاز في ضواحي أكثر من 150 مجرة ​​بشكل أسرع من المتوقع بناءً على كتلتها المرئية فقط. ومع ذلك ، فإن Mond ليس فقط يشرح مثل منحنيات الدوران ، في كثير من الحالات ، يتوقع هم.

فلاسفة العلم جادل أن قوة التنبؤ هذه تجعل موند متفوقًا على النموذج الكوني القياسي ، الذي يقترح وجود مادة مظلمة في الكون أكثر من المادة المرئية. هذا لأنه ، وفقًا لهذا النموذج ، تحتوي المجرات على كمية غير مؤكدة للغاية من المادة المظلمة والتي تعتمد على تفاصيل كيفية تشكل المجرة – والتي لا نعرفها دائمًا. هذا يجعل من المستحيل التنبؤ بمدى سرعة دوران المجرات. لكن مثل هذه التنبؤات يتم إجراؤها بشكل روتيني مع Mond ، وقد تم تأكيد ذلك حتى الآن.

تخيل أننا نعرف توزيع الكتلة المرئية في مجرة ​​ولكننا لا نعرف بعد سرعة دورانها. في النموذج الكوني القياسي ، سيكون من الممكن القول ببعض الثقة فقط أن سرعة الدوران ستتراوح بين 100 كم / ث و 300 كم / ث في الضواحي. يقدم Mond توقعًا أكثر تحديدًا بأن سرعة الدوران يجب أن تكون في نطاق 180-190 كم / ثانية.

إذا كشفت الملاحظات لاحقًا عن سرعة دوران تبلغ 188 كم / ثانية ، فهذا يتفق مع كلتا النظريتين – ولكن من الواضح أن Mond هو المفضل. هذه نسخة حديثة من الحلاقة أوكام – أن الحل الأبسط أفضل من الحلول الأكثر تعقيدًا ، وفي هذه الحالة يجب أن نشرح الملاحظات بأقل عدد ممكن من “المعلمات المجانية”. المعلمات الحرة هي ثوابت – أرقام معينة يجب علينا إدخالها في المعادلات لجعلها تعمل. لكن النظرية نفسها لم تعطهم – لا يوجد سبب لوجود أي قيمة معينة – لذلك علينا قياسها بالملاحظة. مثال على ذلك هو ثابت الجاذبية ، G ، في نظرية الجاذبية لنيوتن أو مقدار المادة المظلمة في المجرات ضمن النموذج الكوني القياسي.

قدمنا ​​مفهومًا يُعرف باسم “المرونة النظرية” لالتقاط الفكرة الكامنة وراء شفرة أوكام بأن النظرية ذات المعلمات الأكثر حرية تتسق مع نطاق أوسع من البيانات – مما يجعلها أكثر تعقيدًا. في مراجعتنا ، استخدمنا هذا المفهوم عند اختبار النموذج الكوني القياسي وموند مقابل الملاحظات الفلكية المختلفة ، مثل دوران المجرات والحركات داخل عناقيد المجرات.

في كل مرة ، أعطينا درجة مرونة نظرية بين -2 و +2. تشير الدرجة -2 إلى أن النموذج يقوم بعمل تنبؤ واضح ودقيق دون النظر إلى البيانات. بالمقابل ، يشير +2 إلى “كل شيء مباح” – كان يمكن للمنظرين أن يتلاءموا مع أي نتيجة رصدية معقولة تقريبًا (نظرًا لوجود العديد من المعلمات المجانية). قمنا أيضًا بتقييم مدى تطابق كل نموذج مع الملاحظات ، حيث يشير +2 إلى توافق ممتاز و -2 محجوز للملاحظات التي تظهر بوضوح أن النظرية خاطئة. ثم نطرح درجة المرونة النظرية من تلك الخاصة بالاتفاق مع الملاحظات ، نظرًا لأن مطابقة البيانات جيدًا أمر جيد – لكن القدرة على ملاءمة أي شيء أمر سيء.

من شأن النظرية الجيدة أن تقدم تنبؤات واضحة تم تأكيدها لاحقًا ، ومن الأفضل الحصول على درجة مجمعة +4 في العديد من الاختبارات المختلفة (+2 – (- 2) = +4). ستحصل النظرية السيئة على درجة بين 0 و -4 (-2 – (+ 2) = -4). قد تفشل التنبؤات الدقيقة في هذه الحالة – ومن غير المرجح أن تعمل مع الفيزياء الخاطئة.

وجدنا متوسط ​​درجة للنموذج الكوني القياسي -0.25 عبر 32 اختبارًا ، بينما حقق Mond متوسط ​​+1.69 عبر 29 اختبارًا. يتم عرض درجات كل نظرية في العديد من الاختبارات المختلفة في الشكلين 1 و 2 أدناه للنموذج الكوني القياسي و Mond ، على التوالي.

شكل 1. مقارنة النموذج الكوني القياسي مع الملاحظات بناءً على مدى تطابق البيانات مع النظرية (تحسين من الأسفل إلى الأعلى) ومدى المرونة التي تتمتع بها في الملاءمة (الارتفاع من اليسار إلى اليمين). لا يتم احتساب الدائرة المجوفة في تقييمنا ، حيث تم استخدام تلك البيانات لتعيين معلمات مجانية. مستنسخة من الجدول 3 من مراجعتنا. الائتمان: Arxiv

الشكل 2. على غرار الشكل 1 ، لكن بالنسبة إلى موند مع جسيمات افتراضية تتفاعل فقط عن طريق الجاذبية تسمى النيوترينوات العقيمة. لاحظ عدم وجود تزوير واضح. مستنسخة من الجدول 4 من مراجعتنا. الائتمان: Arxiv

من الواضح على الفور أنه لم يتم تحديد مشاكل كبيرة لـ Mond ، والتي توافق على الأقل بشكل معقول مع جميع البيانات (لاحظ أن الصفين السفليين اللذين يشيران إلى التزوير فارغان في الشكل 2).

مشاكل المادة المظلمة

أحد أكثر الإخفاقات المدهشة للنموذج الكوني القياسي يتعلق بـ “قضبان المجرات” – وهي مناطق لامعة على شكل قضيب مصنوعة من النجوم – والتي غالبًا ما توجد بها المجرات الحلزونية في مناطقها المركزية (انظر الصورة الرئيسية). تدور القضبان بمرور الوقت. إذا كانت المجرات مطمورة في هالات ضخمة من المادة المظلمة ، فإن قضبانها ستتباطأ. ومع ذلك ، فإن معظم أشرطة المجرات المرصودة ، إن لم يكن كلها ، سريعة. هذه يزيف النموذج الكوني المعياري بدرجة عالية من الثقة.

مشكلة أخرى هي أن الموديلات الأصلية أن المجرات المقترحة بها هالات المادة المظلمة قد ارتكبت خطأً كبيراً – فقد افترضوا أن جسيمات المادة المظلمة توفر الجاذبية للمادة المحيطة بها ، لكنها لم تتأثر بسحب الجاذبية للمادة العادية. هذا يبسط الحسابات ، لكنه لا يعكس الواقع. عندما تم أخذ هذا في الاعتبار في عمليات المحاكاة اللاحقة كان من الواضح أن هالات المادة المظلمة حول المجرات لا تفسر خصائصها بشكل موثوق.

هناك العديد من الإخفاقات الأخرى للنموذج الكوني القياسي التي بحثنا عنها في مراجعتنا ، وغالبًا ما كان موند قادرًا على ذلك شرح بشكل طبيعي الملاحظات. ومع ذلك ، يمكن أن يعود السبب في أن النموذج الكوني القياسي شائع جدًا إلى الأخطاء الحسابية أو المعرفة المحدودة بإخفاقاته ، والتي تم اكتشاف بعضها مؤخرًا. قد يكون أيضًا بسبب إحجام الناس عن تعديل نظرية الجاذبية التي كانت ناجحة جدًا في العديد من مجالات الفيزياء الأخرى.

قادتنا قيادة موند الكبيرة على النموذج الكوني القياسي في دراستنا إلى استنتاج أن الملاحظات المتاحة تفضل موند بشدة. على الرغم من أننا لا ندعي أن موند مثالي ، إلا أننا ما زلنا نعتقد أنه يصحح الصورة الكبيرة – فالمجرات تفتقر حقًا إلى المادة المظلمة.

كتبه Indranil Banik ، زميل أبحاث ما بعد الدكتوراه في الفيزياء الفلكية ، جامعة سانت أندروز.

تم نشر هذه المقالة لأول مرة في المحادثة.

المرجع: “من قضبان المجرة إلى توتر هابل: قياس وزن الأدلة الفيزيائية الفلكية على جاذبية ميلغروميان
بواسطة Indranil Banik و Hongsheng Zhao ، 27 يونيو 2022 ، تناظر.
DOI: 10.3390 / sym14071331