Ці фізики віддають перевагу новій теорії гравітації

Використовуючи закони фізики Ньютона, ми можемо з цілковитою точністю моделювати рух планет у Сонячній системі. Однак на початку 1970-х років вчені виявили, що Це йому не спрацювало дискові галактики Зірки на своїх зовнішніх краях, подалі від сили тяжіння всієї матерії в їх центрі, рухалися набагато швидше, ніж передбачала теорія Ньютона.

В результаті фізики припустили, що невидима речовина під назвою “темна матерія«Це забезпечувало додаткове гравітаційне тяжіння, змушуючи зірки прискорюватися — теорія, яка стала загальновизнаною. Однак у останній огляд Мої колеги та я припускаємо, що спостереження в широкому діапазоні масштабів набагато краще пояснити в альтернативній теорії гравітації, яка називається динамікою Мілгрома або Монд – Не потребує невидимого матеріалу. Вперше його запропонував ізраїльський фізик Мордехай Мілгром у 1982 році.

Основне припущення Монда полягає в тому, що коли гравітація стає занадто слабкою, як це відбувається біля краю галактик, вона починає поводитися інакше, ніж ньютонівська фізика. Таким чином, це можливо пояснити Чому зірки, планети та газ на околицях понад 150 галактик обертаються швидше, ніж очікувалося, виходячи лише з їх видимої маси. Однак не тільки Mond пояснити Подібно до кривих обертання, у багатьох випадках Очікуйте Вони.

філософи науки сперечатися Завдяки цій потужності передбачення Mond перевершує стандартну космологічну модель, яка передбачає, що темної матерії у Всесвіті більше, ніж видимої. Це пояснюється тим, що, згідно з цією моделлю, галактики містять надзвичайно невизначену кількість темної матерії, яка залежить від деталей формування галактики, які ми не завжди знаємо. Це робить неможливим передбачити швидкість обертання галактик. Але такі прогнози регулярно робляться з Mond, і це наразі підтверджено.

Уявіть, що ми знаємо розподіл видимої маси в галактиці, але ще не знаємо її швидкості обертання. У стандартній космологічній моделі можна було б лише з певною впевненістю сказати, що швидкість обертання буде від 100 км/с до 300 км/с на околицях. Mond дає більш конкретний прогноз, що швидкість обертання повинна бути в діапазоні 180-190 км / с.

Якщо пізніші спостереження показують швидкість обертання 188 км/с, це узгоджується з обома теоріями, але Монд явно є фаворитом. Це остання версія Бритва Оккама – що найпростіше рішення краще, ніж більш складні рішення, і в цьому випадку ми повинні пояснити нотатки з найменшою можливою кількістю “вільних параметрів”. Вільні параметри — це константи — певні числа, які ми повинні ввести в рівняння, щоб вони працювали. Але сама теорія не дала їх – немає підстав для існування будь-якої конкретної величини – тому ми повинні вимірювати це шляхом спостереження. Прикладом є гравітаційна стала, G, у теорії гравітації Ньютона або величина темна матерія в галактиках в рамках Стандартної космологічної моделі.

Ми ввели концепцію, відому як «теоретична еластичність», щоб відобразити ідею коду Оккама про те, що теорія з найбільшою кількістю вільних параметрів узгоджується з ширшим діапазоном даних, що робить її складнішою. У нашому огляді ми використали цю концепцію під час тестування космологічної моделі Стандарту та Монда на основі різних астрономічних спостережень, таких як обертання галактик і рухи в скупченнях галактик.

Щоразу ми давали теоретичну оцінку еластичності від -2 до +2. Оцінка -2 означає, що модель робить чіткий і точний прогноз, не переглядаючи дані. І навпаки, +2 означає «все підійде» — теоретики могли б підібрати майже будь-який розумний результат спостереження (оскільки існує так багато безкоштовних параметрів). Ми також оцінили, наскільки добре кожна модель відповідає спостереженням, де +2 вказує на відмінну відповідність, а -2 зарезервовано для спостережень, які чітко показують, що теорія хибна. Потім ми віднімаємо ступінь теоретичної гнучкості від узгодженості зі спостереженнями, оскільки добре зіставляти дані – це добре, але можливість підганяти будь-що – погано.

Хороша теорія дала б чіткі прогнози, які пізніше були підтверджені, а комбінована оцінка +4 за багатьма різними тестами була б кращою (+2 – (- 2) = +4). Погана теорія отримає від 0 до -4 (-2 – (+ 2) = -4). У цьому випадку точні прогнози можуть виявитися невдалими – і навряд чи працюватимуть з неправильною фізикою.

Ми знайшли середній бал для Стандартної космологічної моделі -0,25 у 32 тестах, тоді як Mond досяг середнього балу +1,69 у 29 тестах. Оцінки для кожної теорії в багатьох різних тестах показано на малюнках 1 і 2 нижче для стандартної та космологічної моделі Монда відповідно.

Фігура 1. Порівняння стандартної космологічної моделі зі спостереженнями на основі того, наскільки добре дані узгоджуються з теорією (оптимізація знизу вгору) і наскільки вона гнучка у підгонці (висота зліва направо). Порожнисте коло не враховується в нашій оцінці, оскільки ці дані використовувалися для встановлення вільних параметрів. Відтворено з таблиці 3 нашого огляду. кредит: Arxiv

малюнок 2. Подібно до малюнку 1, але для Монда з віртуальними частинками, які взаємодіють лише завдяки гравітації, вони називаються стерильними нейтрино. Зауважте, що явної підробки немає. Відтворено з таблиці 4 нашого огляду. кредит: Arxiv

Одразу зрозуміло, що для Mond не було виявлено жодних значних проблем, які принаймні розумно узгоджуються з усіма даними (зауважте, що нижні два рядки, які вказують на фальсифікацію, порожні на малюнку 2).

проблеми темної матерії

Одна з найяскравіших помилок Стандартної космічної моделі пов’язана зі «смужковими галактиками» — яскравими стержнеподібними областями зірок, у яких спіральні галактики часто знаходяться в центральних областях (див. головне зображення). Смуги обертаються з часом. Якби галактики були вбудовані у величезні ореоли темної матерії, їхні стрижні сповільнилися б. Однак більшість, якщо не всі, спостережуваних галактичних смуг швидкі. це є підробка Стандартна космологічна модель з високим ступенем достовірності.

Інша проблема полягає в тому, що оригінальні моделі Те, що запропоновані галактики мають гало темної матерії, допустило велику помилку – вони припустили, що частинки темної матерії забезпечують гравітацію матерії навколо них, але на них не впливає гравітаційне тяжіння звичайної матерії. Це спрощує розрахунки, але не відображає реальності. Коли це було враховано в Подальше моделювання Було ясно, що гало темної матерії навколо галактик не пояснюють надійно їхні властивості.

Існує багато інших недоліків Стандартної космологічної моделі, які ми розглянули в нашому огляді, і Монд часто міг пояснюється природно Примітки. Однак причина такої популярності Стандартної космологічної моделі може полягати в обчислювальних помилках або обмежених знаннях про її недоліки, деякі з яких були нещодавно виявлені. Це також може бути пов’язано з небажанням людей змінювати теорію гравітації, яка була настільки успішною в багатьох інших галузях фізики.

Значна перевага Монда над Стандартною космологічною моделлю в нашому дослідженні привела нас до висновку, що наявні спостереження дають перевагу Монду. Хоча ми не стверджуємо, що Mond ідеальний, ми все ж вважаємо, що він виправляє загальну картину – галактикам справді бракує темної матерії.

Написав Індраніл Банік, науковий співробітник астрофізики Сент-Ендрюського університету.

Ця стаття була вперше опублікована в Розмова.

Довідка: «Від галактичних стрижнів до напруги Хаббла: зважування астрофізичних доказів гравітації Мелгрома
Автори Індраніл Банік і Хуншен Чжао, 27 червня 2022 р. Доступно тут симетрія.
DOI: 10.3390 / sym14071331