Физиците работят върху нова теория на гравитацията. Каква роля играе тъмната материя в нея?

Човешката история е истинска сага с много герои. От векове търсим отговори на въпросите кои сме, откъде идваме и накъде отиваме. С развитието на науката и технологиите въпросите станаха по-многобройни, но и ние научихме много. Оказа се, че нашата планета е малка синя точка, която обикаля около съвсем обикновена звезда, каквито във Вселената има наистина много. И колкото повече научаваме за небесните обекти и структурата на Космоса, толкова по-малко разбираме какво се случва. По този начин двете водещи физични теории – общата теория на относителността (ОТО) и квантовата механика – работят перфектно поотделно, но заедно – по никакъв начин.

Освен това изучаваме далечните галактики в опит да разберем структурата на Вселената и въвеждаме различни променливи, като тъмната материя, предназначени да обяснят най-големите загадки. Но все още няма доказателство за нейното съществуване, нито пък нова физична теория. Но защо и трябва ли да очакваме революция в космологията? Нека се спрем малко по-подробно.

Какво не е наред с космологията?

Изглежда всички знаят, че космологията е в криза. Причината е в несъответствието на константата на Хъбъл. Това означава, че или учените правят нещо погрешно, или в необятната Вселена се случва нещо неизвестно.

Константата на Хъбъл е число, което астрономите използват, за да измерват разширяването на Вселената. За първи път тя е представена от американския астроном Едуин Хъбъл, който открива други галактики отвъд Млечния път и стига до заключението, че те постоянно се отдалечават от нас. Въпреки това скоростта, с която това се случва (и защо), е загадка. Всъщност всеки път, когато учените изследват въртенето на далечните галактики, те изпадат в недоумение.

Това е така, защото има един важен проблем: различните методи за измерване на константата на Хъбъл дават различни резултати. Данните от Космическия микровълнов фон, остатъчното излъчване от Големия взрив, показват скорост на разширяване от около 67,5 km/s/Mpc. Данните от свръхнови и пулсиращите звезди, наречени цефеиди, в близката Вселена показват скорост от около 74 km/s/Mpc. Това несъответствие се нарича конфликт на константата на Хъбъл. Той всъщност означава, че стандартният космологичен модел – сегашното ни разбиране за структурата и историята на Вселената – може да е погрешен.

Работата е там, че звездите в галактиките се удържат заедно от гравитацията. Това е силата на тежестта, която не им позволява да бъдат изхвърлени в междугалактическото пространство, по време на тяхното въртене. Загадката се крие във факта, че най-отдалечените части на галактиките се движат твърде бързо, без да губят звезди. Фактът, че светилата не са изхвърлени в междузвездното пространство, изумява астрономите и е една от най-големите космологични загадки. Някаква сила трябва някак да държи галактиките заедно, но каква е тази сила и откъде идва, е неизвестно и твърде странно.

Към настоящия момент най-доброто обяснение за случващото се звучи така – съществува някаква „тъмна материя„, която оказва гравитационно въздействие върху всички небесни тела. Търсенето на тази мистериозна материя е една от водещите области на научните изследвания, но въпреки дългогодишните проучвания и постижения все още не е възможно да се намерят доказателства за съществуването на тъмната материя.

Новите идеи

За щастие изследователите гледат в различни посоки. Докато едни се занимават с тъмната материя, други търсят алтернативни причини за наблюдаваните „космологични проблеми“. Така например още през 80-те години на миналия век физикът Мордехай Милгром изказва предположението, че в галактически мащаб законите за движение на Нютон може би малко се различават от тези, наблюдавани на Земята.

Според Милгром тази модифицирана нютонова динамика (MOND) може да осигури допълнителна гравитационна сила, която държи галактиките заедно. Но както и при тъмната материя, има съвсем малко доказателства в полза на тази идея.

Най-различни изследвания са разглеждали как MOND може да повлияе на орбитите на такива отдалечени обекти като Плутон или космическите апарати „Пионер“ и „Вояджър“, но не получиха окуражаващи резултати. Нещо повече, на мнозина астрономи идеята не се харесва, тъй като по същество тя представлява произволно тълкуване на Нютоновата динамика (всъщност това е причината за широкия интерес към тъмната материя).

Сега това може да се промени благодарение на работата на Джонатан Опенхайм и Андреа Русо от Университетския колеж в Лондон, които са установили защо идеята на Милгром за MOND все пак може да се окаже вярна. Научната работа, която все още не е рецензирана, дава на MOND една теоретична основа, която увеличава привлекателността на тази теория за астрономите и физиците.

Добре забравеното старо

Изследването, публикувано в сървъра за предварителни публикации AiRXiv, се основава на идея, която Опенхайм изложи преди няколко години. Тя цели да примири несъвместимостта между двете големи основи на съвременната физика: квантовата механика и общата теория на относителността. Да си припомним, че квантовата механика обяснява структурата на Вселената в най-малките мащаби, докато ОТО я обяснява в най-големите мащаби.

И, както многократно сме обсъждали, природата на двете теории е напълно противоположна. Квантовата механика предполага, че Вселената има вероятностен характер, докато ОТО сочи, че тя е изцяло и абсолютно класическа. Това несъответствие създава дилема, когато става въпрос за създаване на теория на квантовата гравитация, която физиците все още не са разработили.

Идеята на Опенхайм е, че ОТО е класическа теория, но в основата си тя е стохастична. Тоест тя има случаен характер, по-скоро като Брауновото движение – случайното движение на частица, намираща се в течност. Това виждане ни дава възможност да обединим квантовата механика и теорията на относителността по математически съвместим начин.

От този „добре забравен“ подход следва също така, че гравитацията за нас действа точно така, както я е описал Нютон (и както я наблюдават физиците). Но в галактически мащаби ускорението, дължащо се на гравитацията, може да варира с малки, но случайни стойности, сякаш пространство-времето предизвиква някакво брауново движение на масите в него.

„Ние показваме, че стохастичната природа на пространство-времето поражда допълнителна гравитационна сила, която държи галактиките заедно. Ентропията, контролирана от стохастичната космологична константа, може да обясни кривите на въртене на галактиките. А това означава, че не е необходимо тъмната материя да е замесена“,

пишат авторите на научната статия.

Наистина ли тъмната материя вече не е необходима?

В идеята на Милгром (и на авторите на новото изследване) може да е необходимо следствие от съчетаването на теорията на относителността и квантовата механика в единна рамка. Най-малкото, тази идея трябва да се възприеме сериозно и да се проведат редица научни експерименти, за да се провери природата на Нютоновата динамика.

Авторите на статията обаче призовават към предпазливост, като посочват, че освен въртенето на галактиките има и други причини да се предполага съществуването на тъмна материя. Например гравитационната маса на отдалечените галактики действа като леща, пречупваща преминаващата покрай тях светлина. А размерът на това огъване предполага, че тъмната материя трябва да допринася за тази маса.

Затова, преди да се разпространи една нова, алтернативна идея, тя трябва да бъде подробно и задълбочено проучена. По-специално чрез компютърно моделиране на брауновото движение на пространство-времето и неговото въздействие върху масата. Не може да става дума за пълното отхвърляне на тъмната материя.

Така че на астрономите им предстои още работа, защото освен търсенето на тъмна материя както в космоса, така и на Земята, ще трябва да се обърне внимание и на идеята на Милгром. Но така работи науката - колкото по-открито и безпристрастно гледаме на Вселената, толкова повече шансове имаме да научим още няколко нейни тайни.