Gravitet för alla skalor?

Den moderna gravitationen började på sjuttonhundratalet med Sir Isaac Newton. På grundval av Newtons Universal Gravitation Law är en enkel empirisk observation:
Allt händer … som om kraften mellan två kroppar är direkt proportionell mot produkten från deras massor och omvänt proportionell mot kvadratet på avståndet mellan dem.
– Sir Isaac Newton
Detta enkla faktum förklarade månens detaljerade rörelse, inkapslade Keplers lagar om planetrörelse och informerar oss i modern tid hur man navigerar lilla rymdfarkoster genom de stora expanserna av interplanetens rymd med anmärkningsvärd precision. Aldrig i historien har någon sådan plainspoken observation oss (bokstavligen!) Hittills.

Newtons tyngdelag har testats över ett brett spektrum av skalor, från undermillimeter till solsystem. Dess upprepade framgångar och otrolig noggrannhet rivaliseras av få andra fysiska teorier. Tillförlitligheten för den universella gravitationen var sådan att under det nittonhundratalet utgjorde den lilla överskottsprescessionen av Merkurius bana en kris.

Denna kris löstes av Einsteins teori om allmän relativitet, den enda väsentliga uppdateringen av vår gravitation sedan Newton. Allmän relativitet har själv motstått många precisionstester. De upprepade framgångarna med Newton-Einstein-teorin och dess författares stora framträdande har lett till en bred inställning bland forskare att det inte kan finnas något nytt att lära sig om gravitation. Många av dessa samma forskare följer samtidigt den motsägelsefulla inställningen att det måste finnas en enhetlig teori om allt, eller åtminstone av de fyra grundläggande krafterna. Hittills har tyngdkraften ständigt vägrat att integreras i den kvantmekaniska bilden som är avgörande för beskrivningen av de andra naturkrafterna. Ändå måste det finnas en kvantteori om tyngdkraften. I enlighet med detta till dess logiska slutsats måste det finnas ännu mer att lära utöver vad Newton och Einstein redan har berättat för oss.

Utöver kvantområdet, finns det andra gravitationspussel som återstår att förklara. En av de mest relevanta kallas ofta “problemet med mörk materia”. När astronomer mäter rörelserna från stjärnor och gas i galaxer och ändå större system, upptäcker de att hastigheterna är väl över det som kan förklaras med tillämpningen av Netwons Universal Gravitation på massan i synliga former som stjärnor (se Figur 1) . Detta har lett till slutsatsen att de flesta (ungefär 90%) av massan i universum är mörk.

Det finns en enorm mängd bevis för mörk materia. Men allt detta bevis bygger på antagandet att Newtonian teori säkert kan extrapoleras från solsystemet (där det är väl testat) till galaxernas skalor. Även om det är en utmärkt utgångspunkt bör vi inte anta att den verkligen kommer att hålla. Klistermärken för epistemologi kan invända att vi strikt sett inte står inför bevis för mörk materia, utan snarare för massavvikelser. Det vi ser inte lägger till, så antingen universum är fullt av osynlig massa, eller teorin som leder till slutsatsen av denna massa behöver revideras.

För att återgå till gravitationens empiriska rötter, minns Newtons iakttagelse att “allt fungerar som om …” Även om detta är sant med stor noggrannhet i solsystemet, är det uppenbart falskt i galaxer och andra extragalaktiska system. Om det höll, skulle vi inte ha något behov av mörk materia. Att kasta skylden istället på tyngdkraften kan vara lämpligt om det finns en modifiering av Newtons formel som tillfredsställer andan i hans diktum “allt fungerar som om …”

Många sådana försök har gjorts och många har misslyckats. Dessa misslyckanden uppmuntrade människor i riktning mot mörk materia. Ändå finns det en idé som har ja att misslyckas. 1983 antog den israeliska fysikern M. Milgrom en specifik förändring i ekvationerna som styr partikelrörelser vid mycket låga accelerationer. Han kallade detta den modifierade Newtonianska dynamiken, eller MOND. MOND reducerar till den vanliga Newtonska formen i regimen med hög acceleration, men vid accelerationer som är lägre än 1 del i 1011 av vad vi känner här på jorden, förändras saker på ett sätt som kan förklara massavvikelsen.

När ekvationerna från MOND (eller någon annan hypoteserad modifiering) har skrivits ner lämnar de litet handlingsutrymme. Exakta dynamiska data, såsom rotationskurvorna för spiralgalaxier, måste följa från appliceringen av MOND till den observerade fördelningen av ljusa ämnen (stjärnor och gas). Varje galax ger ett unikt test av hypotesen. Passar till de observerade rotationskurvorna för galaxer som i fig. 1 har nu utförts för över 100 galaxer, med jämförbara resultat. Det finns visserligen enstaka pussel, men det finns inga kända fall där MOND uppenbarligen misslyckas. I de allra flesta lyckas det helt klart. MOND är formeln som tillfredsställer Newtons diktum “allt beter sig som …”

I sina originaldokument från 1983 gjorde Milgrom en serie förutsägelser om en då okänd klass av galaxer med låg yttäthet. Dessa föremål borde, om MOND är korrekt, uppvisa stora massavvikelser eftersom deras diffusa ljusmassa skulle ge en ännu svagare gravitationsacceleration än den redan spända mängden som finns i ljusare galaxer. Han listade ett antal specifika, testbara konsekvenser av denna förutsägelse. Vid den tiden ansågs sådana föremål vara sällsynta eller obefintliga. Senare upptäcktes de och är nu kända som “låg ytljusstyrka” galaxer. I processen att studera dessa nya objekt för sitt eget intresse samlade astronomer gradvis de uppgifter som behövs för att testa Milgroms till stor del glömda, decennium gamla förutsägelser. Det kom som en chock att upptäcka att var och en av dem förverkligades i uppgifterna. Även om vetenskapen i princip går framåt genom konstruktion av hypoteser som gör förutsägelser som sedan kan testas, är det verkligen ett sällsynt fall att i praktiken faktiskt följer denna modell så rent.

Dessa framgångar med MOND är mest uppenbara på platser där dynamiska data som testar den är mest exakta. Det finns dock många andra system där bilden är mindre tydlig. Varje modifiering av dynamiska lagar måste förklara massavvikelsen överallt. Det måste fungera inte bara för rotationskurvor, utan också för hastighetsdispersioner av sfäriska galaxer, gastemperaturerna i kluster av galaxer och de speciella galaxrörelserna i universums storskaliga struktur.

En plats som MOND tycks ha allvarliga svårigheter är i rika galaxkluster: den lysande massan faller kort av en faktor på ungefär två av vad som krävs för att förklara observationerna. Å ena sidan kanske detta inte verkar så illa: att komma inom en faktor två i astronomi ses ofta som en stor framgång. Å andra sidan verkar skillnaden verkligt. Detta innebär att det återstår en viss ytterligare massa som ännu inte kan upptäckas i kluster. Detta åberopar i själva verket någon form av mörk materia – knappast en försäljningsplats för en teori som försöker undanröja sådana saker. Detta kan anses vara dödligt för MOND om det inte var för att upptäckten av enorma massmagasin i kluster har hänt tidigare. Man trodde länge att stjärnorna i galaxerna som utgjorde klustren var den största behållaren med normal materia där. För ungefär ett decennium sedan visade det sig att massan av het, diffus gas som spridits mellan klustergalaxerna i hög grad överstiger massan i stjärnor. Detta är fallet, det är svårt att vara säker på att en annan faktor av två inte kommer att dyka upp.

Ett annat problem är kosmologi. Omodifierad allmän relativitet ger en tillfredsställande tolkning för de empiriska aspekterna av den heta big bang-kosmologin – ett expanderande universum, nukleosyntes av ljuselementen och relikstrålningen känd som den kosmiska mikrovågsbakgrunden. Standardkosmologins framgång likställs ofta med bevis mot MOND. Men standardkosmologin är bara livskraftig om 90% av massan verkligen existerar i en ännu hypotetisk form – knappast en stor skrytpunkt. Det är värre att det under de senaste åren har blivit nödvändigt att återuppliva Einsteins självbeskrivna “största bommar”: den kosmologiska konstanten. Man kan undra om dessa konstiga vändningar antyder någon större sanning.

Den kosmiska mikrovågsbakgrunden kan hjälpa dig att avgöra det här problemet. Ett universum fullt av mörk materia lämnar en subtilt annorlunda signatur på detta eko av big bang än en saknar mörk materia. Nya observationer kom lockande nära att kunna skilja mellan de två fallen, men lyckades i slutändan inte göra en tydlig åtskillnad. Kommande rymduppdrag, som NASAs MAP och ESAs PLANCK, kommer förhoppningsvis att göra susen.

Oavsett om MOND är korrekt som en teori utgör den en observerad fenomenologi som kräver förklaring. Här ligger ett verkligt förhållande för bilden av mörk materia. De naturliga förväntningarna på mörka materialteorier för rotationskurvor ser inte ut som MOND och därmed misslyckas med att återge en hel uppsättning väsentliga observationsfakta. Det bästa en teori om mörk materia kan hoppas att göra är att sträva efter att se ut som MOND och därmed efterdriva de många saker som Milgrom framgångsrikt förutspådde. Detta ger en genuin paus för att överväga hur vetenskapen antas att fortsätta.

Debatten mellan mörk materia och MOND är uppfriskande. Under de senaste åren har det visat sig en viss oro över att vetenskapen är på väg. Alla grundläggande upptäckter har gjorts; det finns inget riktigt nytt kvar att upptäcka. Det här känslan återger Rutherfords ord för nästan hundra år sedan: “Allt som återstår … är att fylla i de senaste decimalen.” Nu som nu är rykten om slutet på grundvetenskapen överdrivna.

Figur 1: Dvärggalaxens NGC 1560: s rotationskurva. Den nedre linjen är den rotation som förutses av appliceringen av Newtonian gravitation på de observerade stjärnorna och gasen. Detta faller väl under den observerade rotationen, vilket leder till inferensen av mörk materia som utgör skillnaden. Den övre linjen visar rotationen förväntas genom applicering av MOND på de observerade stjärnorna och gasen. Liknande resultat är nu kända för över 100 galaxer. Observera att även i det här fallet reflekteras det kink som observeras i gasfördelningen i rotationen. Detta är oerhört svårt att förklara med mörk materia som inte är fördelad som den lysande massan. MOND är formeln som tillfredsställer Newtons diktum “allt beter sig som om …”


Leave a Reply

Your email address will not be published. Required fields are marked *