Μια νέα θεωρία για την βαρύτητα εξηγεί την σκοτεινή ύλη. New theory of gravity might explain dark matter

The rotation curve of typical spiral galaxy M33 (yellow and blue points with errorbars) and the predicted one from distribution of the visible matter (white line). The discrepancy between the two curves is accounted for by adding a dark matter halo surrounding the galaxy. Though dark matter is by far the most accepted explanation of the rotation problem, other proposals have been offered, including Modified Newtonian Dynamics (MOND) and this new theory of Emergent Gravity. Image credit: Wikimedia Commons

Για ποιο λόγο κοσμικές δομές, όπως οι εξωτερικές περιοχές των γαλαξιών, δεν κινούνται όπως περιγράφει η Γενική Θεωρία της Σχετικότητας του Άλμπερτ Αϊνστάιν;

Σύμφωνα με τους περισσότερους φυσικούς, η απάντηση κρύβεται στη σκοτεινή ύλη, ένα υλικό με μυστηριώδη φύση, αφού δεν έχει ανιχνευθεί πειραματικά καθώς δεν εκπέμπει ούτε απορροφά ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία, όπως για παράδειγμα φως.

Professor Erik Verlinde, University of Amsterdam, Delta Institute for Theoretical Physics. Image credit: University of Amsterdam

Ωστόσο, μερικοί επιστήμονες υποστηρίζουν πως, αντί να «προδίδουν» την ύπαρξη ενός εξωτικού υλικού, τέτοιες ασυμφωνίες απλώς «προδίδουν» το γεγονός ότι η Γενική Θεωρία δεν περιγράφει με ακρίβεια τη συμπεριφορά της βαρύτητας. Ανάμεσά τους, ο Ολλανδός Έρλικ Βελρίντε, καθηγητής στο πανεπιστήμιο του Άμστερνταμ και το Ινστιτούτο Θεωρητικής Φυσικής Delta, ο οποίος από το 2010 έχει προτείνει ένα εναλλακτικό μοντέλο περιγραφής της βαρύτητας.

Στα χρόνια που μεσολάβησαν, ο Βελρίντε συνέχισε να βελτιώνει το μοντέλο του, ώστε να ταιριάζει ακόμη καλύτερα με τα παρατηρησιακά δεδομένα. Έτσι, χθες δημοσίευσε άρθρο (Emergent Gravity and the Dark Universe) το οποίο εξηγεί πώς αυτή η εναλλακτική περιγραφή μπορεί να εξηγήσει τις ανωμαλίες στην κίνηση των εξωτερικών περιοχών των γαλαξιών, καταργώντας την ανάγκη ύπαρξης της σκοτεινής ύλης.

Σύμφωνα με τη θεωρία του Ολλανδού φυσικού, η βαρύτητα δεν αποτελεί μία θεμελιώδη δύναμη στο σύμπαν, αλλά ένα «αναδυόμενο φαινόμενο». Έτσι με τον ίδιο τρόπο που η θερμοκρασία ενός σώματος είναι η εκδήλωση της κινητικής κατάστασης των μορίων του, η βαρύτητα σύμφωνα με τον Βελρίντε δεν είναι τίποτε άλλο από την εκδήλωση των μεταβολών που υφίστανται στοιχειώδη bit πληροφορίας, τα οποία είναι ενσωματωμένα στη δομή του χωροχρόνου.

Από τα πρώτα βήματα διατύπωσης της θεωρίας του, ο επιστήμονας μπόρεσε να δείξει πώς ο παραπάνω μηχανισμός συμφωνεί με όλα τα φαινόμενα που περιγράφονται από τον Δεύτερο Νόμο του Νεύτωνα – από την πτώση μίας πέτρας, μέχρι την κίνηση ενός δορυφόρου γύρω από τη Γη. Τώρα, παρουσιάζει πώς μπορεί να εξηγήσει τις ανωμαλίες στην κίνηση των εξωτερικών περιοχών των γαλαξιών, χωρίς καμία παραπομπή στη σκοτεινή ύλη.

«Έχουμε ενδείξεις ότι αυτή η νέα θεώρηση για τη βαρύτητα συμφωνεί με τις παρατηρήσεις», λέει ο ίδιος στην ιστοσελίδα του Ινστιτούτου Delta. «Όπως φαίνεται, στις μεγάλες κλίμακες, η βαρύτητα δεν συμπεριφέρεται όπως προβλέπει η θεωρία του Αϊνστάιν».

Our three-dimensional universe may be a hologram with just two spatial dimensions, according to a mathematical analysis. ( TU Wien )

Βασικός «πυλώνας» της θεωρίας του Βελρίντε είναι μία παραλλαγή που ο ίδιος επινόησε της Ολογραφικής Αρχής, την οποία διατύπωσε ο Γκέραρντ Χουφτ, καθηγητής και μέντοράς του, με τον Λέοναρντ Σάσκιντ από το πανεπιστήμιο Στάντφορντ στις ΗΠΑ. Στην εκδοχή που διατύπωσαν την Ολογραφική Αρχή οι δύο επιστήμονες, όλα τα φαινόμενα στο σύμπαν αποθηκεύονται ως πληροφορίες σε δύο διαστάσεις, δηλαδή σε μία φανταστική επιφάνεια που περιβάλλει το σύμπαν.

Σύμφωνα με τον Βελρίντε, αυτό δεν είναι απόλυτα σωστό, αφού ένα μέρος των πληροφοριών αποθηκεύονται στον ίδιο τον χώρο. Επομένως, παρόλο που η «συμβατική» βαρύτητα μπορεί να κωδικοποιηθεί από τις πληροφορίες στη δισδιάστατη επιφάνεια, στις επιπλέον πληροφορίες που είναι ενσωματωμένες στον χώρο οφείλονται οι ανωμαλίες που αποδίδονται στη σκοτεινή ύλη.

Το κίνητρο για προσπάθειες όπως του Βελρίντε για αναθεώρηση της Γενικής Θεωρίας της Σχετικότητας δεν είναι μόνο πως η περιγραφή του Αϊνστάιν για τη βαρύτητα δεν εξηγεί συμπαντικά φαινόμενα όπως η κίνηση των εξωτερικών περιοχών του σύμπαντος, αλλά και το γεγονός ότι έρχεται σε αντίθεση με την Κβαντική φυσική – τον δεύτερο βασικό «πυλώνα» της φυσικής.

Μάλιστα, οι δύο θεωρίες «συναντιούνται» στην περίπτωση των μαύρων τρυπών, καταλήγοντας σε αντικρουόμενα συμπεράσματα. «Πολλοί θεωρητικοί φυσικοί όπως εγώ αναπτύσσουν παραλλαγές της θεωρίας της βαρύτητας, έχοντας κάνει σημαντικά βήματα. Ίσως βρισκόμαστε στην αυγή μίας νέας επιστημονικής επανάστασης, η οποία θα αλλάξει δραστικά την εικόνα μας για τη φύση του χώρου, του χρόνου και της βαρυτικής δύναμης», καταλήγει ο επιστήμονας.

Πηγή: New theory of gravity might explain dark matter