Изглежда невероятно: алтернативна теория за гравитацията е новото разбиране за основната сила на Вселената

От близо век учените се опитват да разгадаят тайната на тъмната материя – хипотетична форма на материя, за която се счита, че е отговорна за някои гравитационни ефекти, необяснени от Общата теория на относителността (ОТО). За щастие една нова хипотеза може да промени правилата на играта. В статия, публикувана наскоро в списание Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, се демонстрира възможното съществуване на най-мощната сила във Вселената – гравитацията – без наличието на маса. Подобен необичаен подход според авторите на изследването може да постави под съмнение самото съществуване на тъмната материя. Новата теория се основава на идеята, че гравитацията, необходима за задържане на галактиките и галактичните купове заедно, може да се дължи на специални топологични структури, формирани в ранната Вселена. Звучи сложно, така че нека да се спрем по-подробно.

Гравитацията е една от четирите основни сили във физиката, наред с електромагнитната сила, силното и слабото ядрено взаимодействие.

Нейно височество гравитацията

Преди да навлезем в сложния лабиринт на новата теория, нека да дадем определение за гравитацията и защо тя играе ключова роля във формирането и структурата на Вселената. Тази фундаментална природна сила, която привлича обектите един към друг, е буквално неотделима от масата на обектите – колкото по-голяма е тяхната маса, толкова по-силно е гравитационното им привличане.

Спомняте ли си прочутата ябълка на Исак Нютон? Именно той през XVII в. забелязва, че ябълките падат от дървото на земята, и предполага, че това се дължи на силата на привличане между ябълката и Земята. Нютон разработва закона за всеобщата гравитация, който гласи, че гравитационната сила между два обекта е пропорционална на произведението от техните маси и обратно пропорционална на квадрата на разстоянието между тях.

На Земята гравитацията действа по такъв начин, че всички предмети падат на повърхността с ускорение от около 9,8 m/s². Това означава, че при свободно падане скоростта на даден обект се увеличава с 9,8 метра в секунда всяка секунда. В космоса обаче гравитацията се държи по различен начин, като поддържа планетите в орбити около звездите. Гравитацията е отговорна и за образуването на звездите, планетите и галактиките – облаците от газ и прах в пространството се компресират от гравитацията, за да се образуват звездите и планетарните системи.

Общата теория на относителността

Теорията на Нютон за универсалната гравитация доминира в науката до началото на ХХ век, когато Алберт Айнщайн предлага нова теория за гравитацията – общата теория на относителността (ОТО), която описва гравитацията не като сила, а като изкривяване на пространството и времето, причинено от масата на обектите. Колкото по-голяма е масата на един обект, толкова повече той изкривява пространство-времето около себе си. ОТО е удивителна, защото обяснява защо обектите се движат по определени траектории в гравитационно поле.

Освен това през последното столетие научихме, че гравитацията има няколко ефекта, като усещането за тежест (което изпитваме на Земята), приливните сили на Луната (гравитацията на спътника е причина за приливите и отливите на Земята). Най-интересното обаче се случва отвъд Земята и се отнася до черните дупки – обекти, чиято гравитационна сила е толкова силна, че дори светлината не може да напусне техните граници.

Така че, казано по-просто, гравитацията е неразделна част от нашия живот и от Вселената. Тя управлява движението на планетите, формирането на звездите и галактиките и дори влияе на ежедневните ни действия. Разбирането на тази фундаментална природна сила ни помага да изучаваме структурата на заобикалящия ни свят.

Гравитацията и тъмната материя

Въпреки привидната си простота гравитацията е една от най-големите загадки на съвременната наука. Затова изследователите все още излагат различни теории за нея – от ускорението като водеща сила до гравитоните – хипотетични елементарни частици без маса. И всичко това, защото двете водещи физични теории – ОТО и квантовата механика – работят перфектно поотделно, но си противоречат една на друга.

С други думи, учените все още търсят някаква „теория на всичко“, която да обясни структурата на нашия свят както в макро-, така и в микромащаб, а гравитацията е един от препъни камъните. Първо, през повечето време гравитацията се приписва единствено на сферата на материята, но ако това всъщност не е така? Ами ако тази невероятна природна сила може да съществува и без маса?

Звучи възможно най-необичайно, но именно тази идея е привлякла вниманието на авторите на наскоро публикуваното проучване. Става дума за това, че ако гравитацията може да съществува без маса, то напълно отпада необходимостта от тъмна материя – хипотетичната материя, която не влиза в електромагнитно взаимодействие и съставлява до 85% от общия обем на Вселената.

Да припомним, че съществуването на тъмната материя не е доказано, а концепцията за нея е разработена за първи път, за да обясни как галактиките се държат заедно при високоскоростно въртене. Въвеждането на тази хипотетична и невидима материя позволи на физиците да измислят всевъзможни идеи и да избегнат противоречията в съществуващите теории.

Топологичните дефекти

Водещият автор на новото изследване, астрофизикът Ричард Лев от Университета на Алабама в Хънтсвил, изказва предположението, че вместо тъмна материя, свързваща галактиките и други небесни тела, Вселената може да съдържа тънки, подобни на черупки слоеве от „топологични дефекти„, които генерират гравитация без никаква основна маса.

Топологичните дефекти са макроскопични структури, които имат макроскопични свойства. Пространственият мащаб на влиянието на топологичните дефекти може да се сравни с размера на наблюдаемата Вселена.

Лу започна с опити да намери друго решение на полевите уравнения на Айнщайн, които свързват кривината на пространство-времето с наличието на материя в него. Както е описано от Айнщайн в ОТО, пространство-времето се изкривява около струпванията на материя и потоците лъчение във Вселената в зависимост от тяхната енергия и импулс. Тази енергия, разбира се, се свързва с масата в известното уравнение на учения: E=mc².

По този начин масата на даден обект е свързана с неговата енергия, която изкривява пространство-времето – тази кривина на пространство-времето Айнщайн нарича гравитация. С други думи, ОТО твърди, че гравитацията е неразривно свързана с масата, но Лев твърди, че това не е така.

Космическите струни

В хода на работата си астрофизикът решава опростената версия на Айнщайновите уравнения на полето, които позволяват съществуването на крайна гравитационна сила при отсъствието на каквато и да е откриваема маса. Лев твърди, че усилията му са били „мотивирани от разочарованието от статуквото, а именно схващането, че тъмната материя съществува, въпреки липсата на каквито и да било преки доказателства в продължение на цял век„.

Решението, предложено от автора на тази нова идея, е да се идентифицират топологичните дефекти във формата на черупки, които могат да възникнат в много компактни области на пространството с много висока плътност на материята. Тези набори от концентрични черупки съдържат тънък слой положителна маса, скрит във външен слой отрицателна маса.

„Тези две маси се неутрализират взаимно, така че общата маса на двата слоя е нула. Но когато една звезда се намира в тази обвивка, тя изпитва голяма гравитационна сила, която я придърпва към центъра“,

се казва в статията.

Да припомним, че топологичните дефекти са много компактни области от пространството с много висока плътност на материята, които обикновено се представят под формата на линейни структури, известни като космически струни. Възможни са обаче и двуизмерни структури като сферични черупки.

Нещо повече, учените отдавна знаят, че гравитационната сила позволява на всички обекти, както безмасови, така и други, да взаимодействат помежду си, тъй като това всъщност води до изкривяване на самото пространство-време. Така например по-рано беше установено, че небесните тела упражняват гравитационно привличане върху безмасовите фотони.

„Разбира се, всички тези предположения са дискусионни, но ако в бъдеще се потвърдят, тогава необходимостта да продължаваме да търсим тъмната материя напълно отпада. Така че следващият въпрос е дали тези мои предположения могат да бъдат потвърдени или опровергани от наблюденията“,

казва Лю.

И въпреки че астрофизикът признава, че предложеното от него решение е „провокиращо“ и само по себе си не може да дискредитира хипотезата за тъмната материя, работата му може да бъде интересно математическо упражнение, тъй като ни позволява да погледнем на Вселената и силите, които я управляват, от друг ъгъл. Независимо от това публикуваните в статията резултати са първото математическо доказателство, че гравитацията може да съществува без маса. А това не е никак малко, съгласни ли сте?