Возможно ли, что наши проблемы говорят о недостатках теории гравитации?
Я вскоре убедился, что всё теоретизирование будет лишь пустым упражнением мозгов, а следовательно, и потерей времени, если только вначале не выяснить, чем же на самом деле заполнена Вселенная.
— Фриц Цвикки
В конце недели я роюсь в ваших письмах с вопросами и предложениями. На этой неделе мне более всего понравилось письмо, содержащее больше всех других возможности для обучения, от Райана Шульйца, который спрашивает:
В последнем номере журнала Discover была длинная статья по радикальной теории MOND и о том, как её предсказательные возможности прекрасно справляются с задачей, а тёмную материю никто ещё не нашёл. Мне интересно, что такое MOND, приемлемая ли это теория, и если она такая успешная, почему мы все слышали о тёмной материи, а не о MOND?
Чтобы понять, о чём речь, нужно отправиться в XIX век и обсудить проблемы, существовавшие задолго до проблемы «недостающей массы» (или «недостающего света»), которые пытается решить MOND: проблемы Урана и Меркурия.
Законы гравитации, разработанные Ньютоном в XVII веке, чрезвычайно успешно описывали всё, к чему бы ни применялись. От движения летящих снарядов до катящихся объектов, от веса объектов до маятника, от плавучести лодки до орбиты Луны вокруг Земли – Ньютоновская теория гравитации не подводила.
Три закона Кеплера, особые случаи Ньютоновской гравитации, применялись ко всем известным планетам:
1. Каждая планета Солнечной системы обращается по эллипсу, в одном из фокусов которого находится Солнце.
2. Каждая планета движется в плоскости, проходящей через центр Солнца, причём за равные промежутки времени радиус-вектор, соединяющий Солнце и планету, описывает равные площади.
3. Квадраты периодов обращения планет вокруг Солнца относятся как кубы больших полуосей орбит планет.
Все известные миры подчинялись этим законам, и за сотни лет не было обнаружено никаких отклонений. Но с открытием Урана 1781 году всё поменялось. Новая планета двигалась по эллипсу вокруг Солнца, но её скорость не соответствовала предсказаниям законов гравитации.
В первые 20 лет после обнаружения она двигалась быстрее, чем было предсказано. В следующие 20-25 лет её скорость соответствовала расчётной. Затем она замедлилась ещё больше, и скорость упала ниже расчётной.
Был ли закон гравитации неправ? Возможно. Но возможно, существовала ещё некая материя, некий тип невидимой, или тёмной, материи, тянувшей Уран и приводивший к этим отклонениям орбиты.
Оказалось, что так и есть. После войны теоретиков между Урбеном Жан Жозеф Леверье и Джоном Куч Адамсом, во время которой они делали независимые предсказания по поводу местоположения новой планеты, 23 сентября 1846 года расчёты Леверье подтвердили Иоганн Готтфрид Галле и его ассистент Генрих Луи Д’Арре. Был открыт Нептун, первый объект, чьё существование предсказали по гравитационному воздействию его массы.
С другой стороны, самая внутренняя планета, Меркурий, в результате увеличившейся точности наблюдательных приборов и накопленных за столетия измерений, начала показывать странные отклонения от законов гравитации. Кеплер предсказывал, что планеты должны двигаться вокруг Солнца по идеальным эллипсам с фокусом в Солнце, но только в отсутствие других масс, влияющих и возмущающих эту систему. Но другие массы есть, и Меркурий не двигается по идеальному закрытому эллипсу. Эллипс совершает прецессию.
Используя законы гравитации Ньютона, мы можем учесть влияние всех планет, включая Нептун, и прецессию земных равноденствий. После этого мы обнаружим лишь небольшую разницу между наблюдениями и предсказаниями – прецессию в 43" за сто лет, или в 0,012° за сто лет. Но это не случайность.
Так в чём же дело? Есть ли ещё неизвестная масса, возможно, внутренняя по отношению к Меркурию? Или же проблема в законе гравитации? Велись утомительные поиски теоретической планеты Вулкан, расположенной ещё ближе к Солнцу. Но никакого Вулкана не было. Решение пришло в 1915 году, когда Эйнштейн выдвинул свою общую теорию относительности.
Перенесёмся в 1970-е и рассмотрим наблюдения, впервые сделанные Верой Рубин. Мы наблюдаем отдельные галактики – в частности, расположенные к нам ребром – и измеряем их скорости. Мы смотрим на одну сторону галактики, и видим, что она двигается к нам (голубое смещение), а затем смотрим на другую, и она двигается от нас (красное смещение) – всё благодаря вращению галактики. Мы ожидаем обнаружить, что внутренние звёзды галактики вращаются быстрее, и что скорость вращения падает по мере удаления от центра. Но видим мы совсем другое.
Вместо этого скорость вращения галактики остаётся постоянной по мере удаления от
центра. Почему так? Есть две возможности: либо законы гравитации требуют исправления, или нужно предположить существование дополнительной, невидимой массы.
MOND, или МОНД – МОдифицированная Ньютоновская Динамика, впервые была отмечена в 1981 году Моти Милгромом, решившим, что если мы поменяем действие законов Ньютона при очень малых ускорениях – при долях нанометра на секунду в квадрате – мы можем получить именно такие кривые вращения. То же изменение сможет объяснить вращение галактик, от малых до великих. И МОНД до сих пор справляется с этим очень хорошо.
Тёмная материя, с другой стороны, предполагает, что в дополнение к обычным частицам Стандартной модели, всей нормальной материи из «протонов, нейтронов и электронов», из которых состоит почти всё, что нам известно, есть новый тип материи. Для объяснения этого вращательного явления было предложено большое гало из материи, не взаимодействующее со светом, не комкующееся само с собой и не взаимодействующее с обычной материей. В этом состоит идея тёмной материи.
Она может объяснить эти кривые вращения, но не так хорошо, как МОНД. Численные симуляции гало, получаемые от простейших моделей тёмной материи, не совсем совпадают с наблюдениями: гало слишком плотные в центре и слишком «пушистые» по краям. (Технически говоря, они более изотермические, чем ожидается). Если бы у нас были только эти кривые вращения, то МОНД была бы явным лидером.
Но у нас есть целая Вселенная.
Если вы предлагаете новую теорию взамен ОТО, в свою очередь заменившую Ньютоновскую гравитацию, вам нужно соблюсти три условия:
1. Она должна воспроизвести все успехи предыдущей теории.
2. Она должна объяснить новое явление (или явления), ради которых она разрабатывалась.
3. Она должна сделать новые, уникальные предсказания, которые можно было бы проверить экспериментально или наблюдениями.
А успехов у предыдущей теории масса.
Гравитационное линзирование звёздного света при помощи массы, включая сильное и слабое линзирования. Эффект Шапиро. Гравитационное замедление времени и красное смещение. Платформа, связанная с Большим взрывом и концепцией расширяющейся Вселенной. Движения галактик в скоплениях и скопления галактик на больших масштабах.
И во всех этих случаях МОНД эффектно проваливается, либо не делая предсказаний, либо с предсказаниями, конфликтующими с данными. Если вы скажете, что МОНД – это не полная теория, а описание одного явления, которое может привести к полной теории, то продолжайте надеяться. Множество людей работают над расширением МОНД, которое бы объяснило эти наблюдения, но успехов пока особенно нет, включая и теорию TeVeS (тензор-вектор-скалярная гравитация), MoG (модифицированная гравитация) и другие.
Но если оставить законы гравитации Эйнштейна и просто добавить новый ингредиент, холодную и тёмную материю, не испытывающую столкновений, можно объяснить всё, включая и новые, интересные подробности.
Можно объяснить флюктуации в реликтовом излучении, включая «акустические пики», не способные существовать без некоей формы тёмной материи.
Можно объяснить природу скоплений, видимую в крупномасштабных структурах Вселенной, включая большую кривую вверху, и колебания в ней, если принять, что тёмной материи в пять раз больше, чем обычной.
И, самое интересное, можно сделать новое предсказание: при столкновении двух скоплений галактик, внутренний газ должен разогреться, замедлиться и испустить рентгеновское излучение (вверху, розовое), а видимая через гравитационное линзирование масса (голубая) должна последовать за тёмной материей и отделиться от рентгеновских лучей. Это предсказание родилось из наблюдений и продержалось последние десять лет, служа непрямым доказательством существования тёмной материи.
Так что, Райан, МОНД не выигрывает у тёмной материи: она до сих пор объясняет кривые вращения галактик лучше, чём тёмная материя. Но это пока не физическая теория, и она несовместима с целым набором наблюдений, которые у нас есть. Мы слышим о тёмной материи, поскольку она способна дать нам всю Вселенную, без противоречий. МОНД может быть ключом к более полной теории гравитации, и многие надеются когда-нибудь вывести феноменологию МОНД из самой тёмной материи – довольно-таки амбициозная цель!
Но сейчас МОНД не справляется в космологическом плане, что делает её гораздо менее предпочтительной, чем тёмная материя. У неё есть свои адепты и она заслуживает работы, но пока это ещё не подходящая альтернатива. Но сделайте её версию, которая:
1. Воспроизводит все успехи ОТО,
2. Объясняет набор новых явлений,
3. Делает новые проверяемые предсказания,
и я запою по-другому, как и должен будет сделать любой правильный учёный.
Комментарии (26)
Mulin
26.09.2016 05:50+2Года полтора назад, когда я активно изучал проблему кривой вращения галактик, у меня, если так можно выразиться, родилась теория, которая исключала необходимость введения темной материи. Если в двух словах, то суть ее заключалась в эффектах теории относительности, связанных с гравитационным замедлением времени. Если представлять себе галактику не как скопище отдельных звезд, а как единый массивный объект, то ближе к центру ее масса, возможно, будет достаточна для возникновения эффекта гравитационного замедления времени. В результате, для стороннего наблюдателя, процессы происходящие по градиенту от края к центру будут тем медленнее, чем ближе центр. Таким образом, мы получаем не аномально быстрое движение звезд по краям, а замедленное движение в центре. Однако теория оказалась неверна, в ней я нашел ошибку. Но я забыл какую :|
BiosUefi
26.09.2016 18:13-1И вот что поразительно, темная материя взаимодействует с барионной гравитационно.
Видимо и обратное логично.
И тут начинается интересное, барионная материя склонна к гравитационному линзированию, а темная то… «Ку-ку? Куку?!.. И больше ничего?»(ц)
burjui
26.09.2016 22:03+1Насколько я понял, вы утверждаете, что тёмная материя не вызывает гравитационное линзирование (из-за неуместной шутки сложно понять, что вы имеете ввиду). В таком случае вы неправы, потому что гравитационное линзирование как раз-таки подтверждает наличие тёмной материи, так как в кластерах галактик оно слишком сильное для наблюдаемого количества обычной материи.
mad_god
26.09.2016 18:18Очень глупый вопрос. Обладают ли гравитацией разные сектора вселенной (по отношению к точечному объекту) или воздействие очень незначительно?
Другой вопрос: равное ли гравитационное воздействие будет у разреженного облака газа огромной массы и у плотной звезды той же массы?
Robotex
26.09.2016 20:53Мне непонятно, а зачем вообще придумывать какую-то экзотическую материю, если все можно объяснить недостаточной точностью наших измерений? Ведь количество темной материи постоянно уменьшается: сперва обнаружили, что красных карликов значительно больше, чем считалось, потом нашли межгалактический газ, потом еще что-то найдут. И в результате доля темной материи уменьшится до нуля процентов.
Robotex
26.09.2016 21:11А если посмотреть на гравитацию с учетом того, что она движется со скоростью света (что доказало открытие гравитационных волн)? Ведь Земля притягивается не к Солнцу, а к тому месту где Солнце было восемь минут назад. А ведь галактики имеют размеры в тысячи световых лет. Считались ли вращения галактик с учетом ограниченности скорости гравитации?
burjui
26.09.2016 22:22+2Разумеется. Честно говоря, меня аж передёргивает, когда я вижу подобные комментарии. Это как спросить у программиста, почему ещё никто не написал некую программу, неужели это так сложно, ведь в ней нужны всего всего две кнопки? Диванные аналитики, прочитав краткое научно-популярную сводку о работе, проделанной за десятилетия, держат учёных за каких-то идиотов. Открою вам тайну: в подобных статьях освещается микроскопическая часть того, чем реально занимаются учёные (да, их больше одного). Полную информацию можно получить, прочитав сотню-другую научных статей — там будет и про учёт скорости распространения гравитации, и про всё остальное. Только кто ж из обывателей их читает, тщательно перепроверяя все расчёты, и пишет ПО для симуляций?
Robotex
26.09.2016 22:50+1Все сказал? Если такой умный, то возьми да объясни.
То, что гравитация движется со скоростью света стало известно только в этом году. А теория о Темной материи существует уже десятилетиями.
VenomBlood
26.09.2016 23:32+3Только в этом году — это мы получили практическое подтверждение. Это как бозон Хиггса, условно, десятилетия о нем знали, но подтвердили лишь недавно.
Speakus
28.09.2016 15:12Самое интересное что помимо темной материи учёные ввели ещё и темную энергию. Хотя последняя уже под вопросом: http://don-beaver.livejournal.com/178340.html
kauri_39
Поговорить бы с разработчиками новых версий МОНД, узнать, чем они объясняют свою модификацию законов Ньютона.
Простейшая формула: F=mа. Большинство физиков решило увеличивать первый множитель, добавив незримой тёмной материи. Милгром и компания решили увеличивать второй множитель — центростремительное ускорение, связав его, видимо, с особенностями пространства, более протяжённого, чем масштабы солнечной системы. У тех и других в итоге растёт сила гравитации, которая уже может удерживать быстро вращающиеся звёзды в галактических дисках.
Поддерживаю МОНД. Имею своё объяснение, почему центростремительное ускорение падает не так сильно с ростом радиуса, как того требует закон Ньютона. Таков механизм гравитации. Тела поглощают эфир, и он движется к телам, увлекая с собой мелкие тела.Ускорение с ростом расстояния от массивного тела падает примерно как наклон касательной к гравитационной яме из метрической сетки. Вблизи тела угол крутой, ускорение снижается по известной формуле, а с удалением от тела угол наклоняется, снижение замедляется.
Звёзды поглощают эфир, и он входит в них, закручиваясь по ходу их вращения. В ОТО это называется «увлечение пространства вращающимся телом». И это увлечение сказывается, в частности, на Меркурии — его орбита вращается, как показано здесь на картинке.
VenomBlood
Добрый день kauri_39. Я пишу вам из 1905 года и спешу сообщить что мы только что показали несостоятельность теории эфира.
Всего вам самого наилучшего.
HappyLynx
Сразу замечу, что я не эфирщик, но справедливости ради в защиту первого оратора скажу, что он нигде не утверждает, что его «эфир» нерелятивистский, а с учетом того, что темная материя взаимодействует с обычной сугубо гравитационно, к его «увлекаемому эфиру» её можно за ушки то и притянуть.
kauri_39
И вам всего наилучшего.
К сожалению, не могу спешить к вам с ответным сообщением, поскольку ваши ревнивые последователи ограничили меня одним комментарием в день. Поэтому отвечать приходиться редко, но подробно. И адресовать свои сообщения всем своим оппонентам.
С тех пор, когда вы показали «несостоятельность теории эфира», прошло более века. И время показало другое: опровергнута была одна из теорий. Да, Землю не обдувает эфирный ветер, и его поиски в горизонтальной плоскости это подтвердили. Но кто вас надоумил, что его нет и в другой плоскости — в вертикальной? Вы разве не читали то место в трактате Ньютона «Оптика» (3 книга, 21 вопрос), где классик говорит о предполагаемой причине гравитационного притяжения? В телах, по его мысли, плотность эфира меньше, а вне тел — больше, по мере удаления от них.
Если развить эту мысль, то можно предположить, что материя поглощает эфир, разрежает его внутри своих частиц, и к ней постоянно притекает более плотный внешний эфир, что и образует гравитационное поле тел. Эфир втекает в тела с ускорением свободного падения и сообщает его всем падающим телам разной массы, как установил Галилей. Эфир можно представить в виде упругой расширяющейся среды, состоящей из взаимно сжатых частиц — эфиронов.
Понимаете, альтернативой теории эфира (среды) может быть только теория вакуума (пустоты), а это, если задуматься, на грани идиотизма. Вы не эфир отвергли, вы отвергли своих идейных конкурентов. А эфир всё равно проявился в теориях и наблюдениях ваших последователей. Только он теперь называется энергетически плотным вакуумом. Он влияет на летящие сквозь него частицы материи — вызывает их Лэмбовский сдвиг, он с ускорением раздвигает скопления галактик. Он расширяется, но и при этом плотность его остаётся неизменной. Почему так происходит — объясняется в моей первой публикации.
Поспешность с ликвидацией эфира отодвинула на неопределённое время создание квантовой теории гравитации. И это даже хорошо. Скорость появления новых знаний о мире не должна опережать скорости развития общества. Что было бы, если люди не считали бы атомы неделимыми частицами, раньше стали изучать их состав и овладели атомной энергией к началу мировых войн? Поэтому лучше мы будем летать в космосе на реактивной тяге, чем овладеем сверхсветовыми скоростями и разнесём свою дикость за пределы солнечной системы.
И пусть оппоненты ставят минусы, подтверждая ими мою правоту.
VenomBlood
Я советую вам почитать хотябы научно-популярную литературу на тему СТО, ОТО, квантовой механики и подобного. Многие вещи достаточно причудливы на взгляд обывателя, но тем не менее они реальны. Замедление времени, квантовое туннелирование, квантовая запутанность, гравитационные волны и т.д. — это кажется непривычным, но тем не менее это существует, в отличии от эфира.
Эфир — это термин, у него есть вполне четкое определение, его существование опровергнуто.
truggvy
«Эфир — это термин, у него есть вполне четкое определение» — а вот это заявление явно не правомерно. И что бы убедиться в этом достаточно заглянуть в ту же википедию. Определений там масса. В том числе относящихся к современно физике. Например: https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%A2%D0%B5%D0%BE%D1%80%D0%B8%D0%B8_%D1%8D%D1%84%D0%B8%D1%80%D0%B0#.D0.9A.D0.B2.D0.B0.D0.BD.D1.82.D0.BE.D0.B2.D1.8B.D0.B9_.D0.B2.D0.B0.D0.BA.D1.83.D1.83.D0.BC
Конечно плохо, что каждый понимает под этим словом, что ему вздумается. Но так уж сложилось исторически, и надо это учитывать.
VenomBlood
Эфир — это некая «субстанция» возмущения которой интерпретируют как ЭМ волны или гравитацию. Я не видел какой-либо другой формулировки, а эта — она в корне не верна.
То что вы показали — это не определение эфира, а просто фраза одного человека о том что некие вещи могут быть эквивалентом эфира по ряду свойств, но все равно они не подходят под определение.
kauri_39
У термина «вакуум» тоже есть вполне чёткое определение. «Вакуум» до сих пор переводится с латыни как «пустота». Поэтому его и ввели в научный обиход вместо не найденного Майкельсоном эфира — светоносной среды. Из курса физики: «в отличие от других видов волн, распространение которых происходит в какой-то материальной среде, электромагнитные волны могут распространяться в пустоте: никакой материальной среды для распространения электрического и магнитного полей не требуется» (http://lib.sernam.ru/index.php).
Однако существование такой пустоты было опровергнуто. Между частицами материи и между космическими телами была найдена материальная среда. Она обладает физическими свойствами и оказывает влияние на всё, что в ней находится, в том числе — и на фотоны.
И что, учёные перестали пользоваться термином «пустота» в её обозначении? Нет! Они приделали к «пустоте» прилагательные — «физическая пустота», «космическая пустота». Это объясняется только одним — человеческим фактором. Никто не «запел по-другому, как и должен был сделать любой правильный учёный.» Никто не хочет портить отношения с «хором, поющим по-старому», получать «минусы» и снижать свою «карму» в их денежном выражении. Но если так ведут себя учёные, то что нам ждать от политиков?
Вы советуете мне почитать научно-популярную литературу, как будто я отвергаю какие-то научные факты. Я могу понимать и объяснять их иначе, но не отвергать. Как, например, я понимаю гравитацию и гравитационное покраснение фотонов.
В публикации выше рассказывают, как такую же модель гравитации применили для поиска излучения Хокинга. Там аналог гравитации создаёт поток охлаждённых атомов рубидия к аналогу ЧД. Этот поток является подобием «светоносной среды» — эфира, который состоит из эфиронов, поглощаемых материей тел. Такой «эфир» несёт аналоги световых волн — фононы.
Но, видимо, и после этих опытов учёные не откажутся от «припевшегося» им термина «вакуум». Ну, будет квантованный вакуум, состоящий из «вакуумонов» — ячеек пустоты. Это нормально, наука — часть общества.
VenomBlood
Кроме того вот это ваше «эфироны поглощаются материей и уносят ее» — это что-то с чем-то. Если они имеют энергию — то объясните потерю этой энергии при поглощении, если не имеют — то как они могут своим потоком создавать эффекты которые описывает гравитация? Это как минимум.
FirExpl
Ну т.е. вы выкинули темную материю, которая имеет хоть какое-то описание, и вместо неё добавили некий эфир. Так чем же ваша теория в итоге лучше?
Smitak
Пардонте, но это сначала эфир выкинули, а потом заместо него добавили некую «тёмную материю».
mimoprobegal
Очередной эфиризм в комментах. Какой смысл поддерживать опровергнутую теорию, которая вместо темной материи вводит еще бОльшую абстракцию в виде «эфира» и множество побочных эффектов, противоречащих экспериментальным данным?