يريد هؤلاء الفيزيائيون نظرية جديدة للجاذبية

باستخدام قوانين نيوتن للفيزياء ، يمكننا نمذجة حركات الكواكب في النظام الشمسي بدقة شديدة. ومع ذلك ، في أوائل السبعينيات ، اكتشفه العلماء لم تنجح المجرات القرصية – النجوم عند حوافها الخارجية ، بعيدًا عن جاذبية كل المادة الموجودة في نواتها – تتحرك أسرع بكثير مما تتوقع نظرية نيوتن.

نتيجة لذلك ، اقترح الفيزيائيون مادة غير مرئية “”.المادة المظلمة“يوفر قوة جاذبية إضافية تجعل النجوم تتسارع – وهي نظرية مقبولة على نطاق واسع. ومع ذلك ، أ دراسة حديثة أقترح أنا وزملائي أن مجموعة واسعة من الملاحظات يمكن شرحها بشكل أفضل في ديناميكيات Milgromian ، أو نظرية بديلة للجاذبية. يوم الاثنين – لا يوجد شيء غير مرئي مطلوب. تم اقتراحه لأول مرة من قبل الفيزيائي الإسرائيلي مردخاي ميلجروم في عام 1982.

الفكرة الأساسية لموند هي أنه عندما تصبح الجاذبية ضعيفة جدًا بالقرب من حافة المجرات ، فإنها تبدأ في التصرف بشكل مختلف عن الفيزياء النيوتونية. بهذه الطريقة ، من الممكن يشرح تدور النجوم والكواكب والغاز في ضواحي أكثر من 150 مجرة ​​بشكل أسرع من المتوقع بناءً على كتلتها الظاهرة. ومع ذلك ، لم يكن مونت ببساطة موجودًا يشرح منحنيات مثل هذه الدورة ، في كثير من الحالات ، هو يتوقع أنهم.

فلاسفة العلم جادل هذه القدرة التنبؤية تجعل موند متفوقًا على النموذج الكوني القياسي ، الذي يقترح وجود مادة مظلمة أكثر من المادة المرئية في الكون. هذا لأنه ، وفقًا لهذا النموذج ، تحتوي المجرات على كمية غير مؤكدة جدًا من المادة المظلمة ، والتي تعتمد على تفاصيل كيفية تشكل المجرة – وهو شيء لا نعرفه 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 المرصودة في مجرة ​​، لكن سرعة دورانها لا تزال غير معروفة. في النموذج الكوني القياسي ، لا يسع المرء إلا أن يقول بدرجة معينة من الثقة أن سرعات دورانية تتراوح من 100 كم / ث إلى 300 كم / ث تظهر في المناطق المحيطة. يقدم Mond توقعًا أكثر تحفظًا بأن سرعة الدوران يجب أن تكون في حدود 180-190 كم / ثانية.

إذا كشفت الملاحظات لاحقًا عن سرعة دوران تبلغ 188 كم / ثانية ، فإن هذا يتفق مع كلتا النظريتين – ولكن من الواضح أن موند مفضل. هذه نسخة حديثة الحلاقة أوكام – يُفضل الحل البسيط على الحل الأكثر تعقيدًا ، وفي هذه الحالة يجب تفسير الملاحظات بأقل عدد ممكن من “المعلمات الحرة”. المعلمات الحرة هي ثوابت – بعض الأرقام علينا أن نعوض بها في المعادلات. لكنها لا تُمنح من الناحية النظرية – لا يوجد سبب لامتلاكها أي قيمة معينة – لذلك يجب أن نراقبها ونقيسها. مثال على ذلك هو ثابت الجاذبية ، G ، أو الكمية ، في نظرية الجاذبية لنيوتن المادة المظلمة في المجرات ضمن النموذج الكوني القياسي.

قدمنا ​​مفهومًا يسمى “المرونة النظرية” لالتقاط الفكرة الأساسية لـ Occam’s Razor ، والتي تصنع نظرية ذات معلمات أكثر حرية تتسق مع نطاق أوسع من البيانات. في مراجعتنا ، طبقنا هذا المفهوم عند اختبار النموذج الكوني القياسي وموند مقابل الملاحظات الفلكية المختلفة ، مثل دوران المجرات والحركات داخل عناقيد المجرات.

في كل مرة ، قمنا بتعيين درجة مرونة نظرية بين -2 و +2. تشير الدرجة -2 إلى أن النموذج يقوم بعمل تنبؤ واضح ودقيق دون النظر إلى البيانات. بالمقابل ، +2 تعني “كل شيء مباح” – يمكن للمنظرين أن يلائموا تقريبًا أي نتيجة رصدية معقولة (نظرًا لوجود العديد من المعلمات المجانية). قمنا بتقييم مدى ملاءمة كل نموذج للملاحظات ، حيث يشير +2 إلى أفضل اتفاق و -2 يتم تخصيصه للملاحظات التي تظهر بوضوح أن النظرية خاطئة. نظرًا لأن الملاءمة الجيدة للبيانات جيدة – ولكنها غير مناسبة على الإطلاق – فإننا نطرح منها درجة المرونة النظرية للاتفاق مع الملاحظات.

تقدم النظرية الجيدة تنبؤات واضحة تم تأكيدها لاحقًا وتحصل على مجموع +4 في الاختبارات المختلفة (+2 – (- 2) = +4). يمكن أن تسجل النظرية السيئة بين 0 و -4 (-2 – (+ 2) = -4). تفشل التنبؤات الدقيقة في هذه الحالة – فمن غير المرجح أن تعمل مع فيزياء غير صحيحة.

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

شكل 1. مقارنة نموذج كوني معياري مع الملاحظات بناءً على مدى ملاءمة البيانات للنظرية (بالتحسين من الأسفل إلى الأعلى) ومدى مرونة الملاءمة (زيادة من اليسار إلى اليمين). لم يتم حساب الدائرة الفارغة في تقديرنا لأنه تم استخدام هذه البيانات لتعيين المعلمات المجانية. مستنسخة من الجدول 3 من مراجعتنا. الائتمان: Arxiv

الشكل 2. مثل الشكل 1 ، لكن بالنسبة لـ Mond مع جسيمات افتراضية تتفاعل فقط عن طريق الجاذبية تسمى النيوترينوات العقيمة. لاحظ عدم وجود أكاذيب واضحة. مستنسخة من الجدول 4 من مراجعتنا. الائتمان: Arxiv

من الواضح على الفور أنه لم يتم تحديد أي مشاكل رئيسية لـ Mond ، وهو على الأقل متوافق بشكل معقول مع جميع البيانات (لاحظ أن الصفين السفليين فارغين ، مما يشير إلى إيجابيات خاطئة في الخطأ 2).

مشاكل المادة المظلمة

أحد أكثر الإخفاقات الملحوظة للنموذج الكوني القياسي هو إنشاء “قضبان المجرات” – مناطق مشرقة على شكل قضيب مكونة من نجوم – والتي غالبًا ما تحتويها المجرات الحلزونية في نواتها (انظر الصورة الرئيسية). تدور القضبان بمرور الوقت. إذا كانت المجرات مطمورة في هالة ضخمة من المادة المظلمة ، فإن قضبانها ستكون أبطأ. ومع ذلك ، فإن معظم أشرطة المجرات المرصودة ، إن لم يكن كلها ، سريعة. هذا هو يزيف نموذج كوني مستقر ذو ثقة عالية جدا.

مشكلة أخرى هي أن الموديلات الأصلية اقترحت المجرات أن هالات المادة المظلمة ارتكبت خطأً كبيرًا – فقد افترضوا أن جسيمات المادة المظلمة تنقل قوة الجاذبية للمادة من حولها ، لكنها لم تتأثر بقوة الجاذبية للمادة العادية. هذا يبسط الحسابات ، لكنه لم يعكس الواقع. مع الأخذ في الاعتبار عمليات المحاكاة اللاحقة أصبح من الواضح أن هالات المادة المظلمة حول المجرات لا تفسر خصائصها بشكل موثوق.

هناك العديد من أوجه القصور في النموذج الكوني القياسي الذي اكتشفناه في مراجعتنا ، كما يفعل موند في كثير من الأحيان اشرح بشكل طبيعي ملاحظات. ومع ذلك ، فإن السبب وراء شهرة النموذج الكوني القياسي قد يكون بسبب المعرفة المحدودة بأخطاءه الحسابية أو إخفاقاته ، والتي تم اكتشاف بعضها مؤخرًا. قد يكون أيضًا بسبب إحجام الناس عن تغيير نظرية الجاذبية ، والتي كانت ناجحة جدًا في العديد من مجالات الفيزياء.

يؤدي تقديم Mond الكبير على النموذج الكوني القياسي في دراستنا إلى استنتاج مفاده أن الملاحظات المتاحة تفضل موند بشدة. بينما لا نقول إن موند مثالي ، نعتقد أنه يحصل على الصورة الكبيرة بشكل صحيح – لا توجد في الحقيقة أي مادة مظلمة في المجرات.

كتبه Indranil Panik ، باحث ما بعد الدكتوراه في قسم الفيزياء الفلكية بجامعة سانت أندروز.

تم نشر هذه المقالة في الأصل محادثة.

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