23/05/2024

Ученые обнаружили явления, которые не могут быть объяснены гравитационными теориями Ньютона и Эйнштейна

Объявления

Анализируя движение долгопериодических двойных звезд, ученые обнаружили явления, которые не могут быть объяснены гравитационными теориями Ньютона и Эйнштейна. Это открытие означает, что нам нужна новая теория гравитации, чтобы описать тайны Вселенной. Это было бы революцией в физике с серьезными последствиями для космологии в целом.

Гравитация — одна из самых фундаментальных и универсальных сил в природе, и это притяжение между объектами. В истории науки два ученых внесли значительный вклад в изучение гравитации, это Ньютон и Эйнштейн.

Ньютон предложил закон всемирного тяготения в 17 веке, полагая, что между любыми двумя объектами существует притяжение, пропорциональное их массе и обратно пропорциональное квадрату расстояния между ними. Эйнштейн разработал свою общую теорию относительности в 20 веке, утверждая, что гравитация — это не истинная сила, а геометрический эффект, вызванный искривлением пространства-времени, вызванным материей и энергией.

Закон всемирного тяготения и общая теория относительности — две наиболее широко принятые теории гравитации, и они могут объяснить большинство гравитационных явлений. Но в некоторых случаях, таких как изучение вращения галактик, распределения массы скоплений галактик, расширения Вселенной и т. д., результаты, которые они дают, часто не согласуются с наблюдательными данными. Чтобы объяснить эти явления, ученым пришлось предположить существование во Вселенной темной материи и темной энергии, двух загадочных компонентов, на долю которых приходится около 95% общей массы-энергии Вселенной, но которые не были обнаружены напрямую.

Разве гравитация не обратно пропорциональна квадрату расстояния?

Однако некоторые ученые также предложили несколько пересмотренных гравитационных теорий, пытаясь объяснить гравитационные явления с помощью более простой и последовательной структуры, не вводя дополнительных предположений, таких как темная материя и темная энергия.

Одной из самых известных из них является модифицированная ньютоновская динамика (МОНД), предложенная в 1983 году израильским физиком Мордехаем Милгромом. Теория MOND утверждает, что теории гравитации Ньютона и Эйнштейна работают только при высоких ускорениях, а при низких ускорениях гравитация изменяется, что приводит к эффектам, отличным от ожидаемых. В частности, когда гравитационное ускорение, испытываемое объектами, составляет менее 0,1 нанометра в секунду в квадрате, гравитационная сила, испытываемая объектами, обратно пропорциональна расстоянию между ними, а не обратно пропорциональна квадрату расстояния.

Хотя MOND может объяснить аномально высокую скорость вращения на краю некоторых галактик, он не может объяснить вращение всех галактик, для объяснения которого ученым все еще нужно использовать темную материю. Он также не может объяснить некоторые явления, которые может объяснить теория темной материи, такие как температурные флуктуации и крупномасштабное структурообразование в космическом микроволновом фоновом излучении. Кроме того, это плохо согласуется с общей теорией относительности.

Двойные звезды с длинным периодом раскрыли гравитационные тайны
Тем не менее, Кю-Хюн Че, астроном из Университета Седжон в Южной Корее, недавно обнаружил, что некоторые данные наблюдений согласуются с теорией MOND.

Используя данные космического телескопа Gaia Европейского космического агентства, он проанализировал 26 500 пар долгопериодических двойных объектов в пределах 650 световых лет от Земли. Двойные системы с длинным периодом — это две далекие звезды, вращающиеся вокруг друг друга, обычно с периодом обращения в тысячи лет и более. Гравитационное ускорение, испытываемое этими двойными звездами, очень низкое, и темная материя на них очень мало влияет, что делает их идеальными объектами для изучения, чтобы проверить правильность современных теорий гравитации при низких ускорениях.

Хотя ученые и раньше пытались использовать двойные звезды с длинным периодом для обнаружения гравитации, они не добились убедительных результатов. Однако в своем исследовании Че Кю Хён написал программу на Python, которая может точно рассчитать гравитационное ускорение, испытываемое двойными звездами, и таким образом получить надежные результаты исследования.

Он обнаружил, что когда две звезды вращаются вокруг друг друга с ускорением менее 1 нанометра в секунду в квадрате, они начинают отклоняться от законов гравитации и предсказаний общей теории относительности. Когда гравитационное ускорение этих звезд снижается ниже 0,1 нанометра в секунду в квадрате, они испытывают ускорения, которые примерно на 30–40 процентов выше, чем предсказывают теории Ньютона или Эйнштейна. Значимость этой разницы настолько высока, что для того, чтобы исследование можно было назвать «открытием», требуется стандартное отклонение в 5 сигм (в пересчете на погрешность, примерно 0,00006%).

Че Кю Хён считает, что это происходит потому, что в этом случае гравитация начинает вести себя в соответствии с теорией МОНД, а не с теорией Ньютона или Эйнштейна. Он также обнаружил, что данные наблюдений больше согласуются с теорией AQUAL. Теория AQUAL является усовершенствованием теории MOND, предложенной совместно Милгромом и израильско-американским физиком Джейкобом Бекенштейном.

Зажечь новую революцию в физике?

Это самое прямое и убедительное свидетельство того, что при малых ускорениях теория гравитации Ньютона и Эйнштейна «ломается» и ее необходимо заменить улучшенной теорией гравитации.

Значение этого для физики и астрономии огромно, и это может вызвать новую революцию в физике. Если МОНД окажется верным, наше понимание Вселенной коренным образом изменится. Возможно, нам даже больше не нужно будет постулировать существование темной материи и темной энергии, а вместо этого будет более простая и элегантная теория для описания всех гравитационных явлений.

Конечно, исследования Цай Гуйсяня также имеют некоторые ограничения. Например, он рассматривал только двойные звездные системы, а не другие типы небесных систем, такие как звездные скопления или галактики. Таким образом, это исследование является лишь предварительным исследованием теории гравитации, и для проверки и улучшения необходимы дополнительные данные и анализ. Более того, как мы уже говорили ранее, в самой теории МОНД еще много проблем, и она нуждается в дальнейшем развитии и совершенствовании. В любом случае, это открытие показало нам более удивительную и загадочную вселенную.