كيف يمكن لنظرية الجاذبية الغريبة أن تحطم السبب والنتيجة

بالعربي/ لقد عرف علماء الفلك أن المجرات عبر الكون تتصرف بشكل سيء. يدور البعض بسرعة كبيرة ، في حين أن البعض الآخر شديد الحرارة ولا يزال البعض الآخر يتحول إلى هياكل فائقة بسرعة كبيرة.

لكنهم لا يعرفون لماذا. ربما يمكن لبعض الجسيمات المخفية الجديدة ، مثل المادة المظلمة ، أن تفسر الغرابة. أو ربما تعمل الجاذبية على تجمعات النجوم المتجمعة بطريقة لم يتوقعها العلماء.

على مدى عقود ، ناقش علماء الفلك الاحتمالات. بينما يعتقد معظم علماء الفلك أن المادة المظلمة موجودة ، لا يزال البعض يعتقد أننا بحاجة إلى تعديل نظريتنا في الجاذبية. ومع ذلك ، فقد وجد بحث جديد عيبًا فادحًا في نظريات الجاذبية المعدلة: فهي تسمح بحدوث التأثيرات بدون أسباب وتسمح للمعلومات بالسفر أسرع من سرعة الضوء. هذا سيء … للجاذبية المعدلة.

قال الباحث الرئيسي وعالم الفيزياء الفلكية في جامعة تافتس مارك هيرتزبيرج لـ Live Science: “قد يغير هذا … مجال البحث بشكل كبير ، مما يجبره في اتجاهات جديدة نوعًا ما”.

بارد ، لكن ليس شديد البرودة

شيء مضحك يحدث في الكون. على سبيل المثال ، بناءً على ما يتوقعه العلماء بناءً على كتل المجرات ، تدور النجوم حول مراكزها بسرعة كبيرة جدًا ؛ درجة حرارة الغاز داخل مجموعات المجرات شديدة السخونة ؛ وظهرت الهياكل الكبيرة في عالمنا في وقت قريب جدًا.

على نطاق المجرات والكون ، إما أن فهم الفلكيين لقوة الجاذبية متوقف تمامًا ، أو أن هناك عنصرًا جديدًا في كوننا يمارس الجاذبية ولكنه غير مرئي بخلاف ذلك. تُعرف الفكرة الأخيرة باسم المادة المظلمة الباردة (CDM) ، وهو الاسم الذي يطلق على شكل افتراضي للمادة غير معروف حتى الآن للفيزياء. يوجد “البرد” للإشارة إلى أنه أيا كان الجسيم الدخيل المسؤول عن المادة المظلمة ، فإنه يتحرك ببطء نسبيًا ، على عكس المادة المظلمة الأخرى المرشحة مثل النيوترينو – وهو مثال على مرشح لجسيمات المادة المظلمة الساخنة.

“إذا تخلى المرء عن مبادئ السببية والمحلية ، فهذا يعني أننا غير قادرين أساسًا على شرح بنية النموذج القياسي لفيزياء الجسيمات والنسبية العامة.”مارك هيرتزبيرج ، جامعة تافتس

من خلال ملء المجرات بشكل من المواد غير المرئية للضوء ، فإن فرضية آلية التنمية النظيفة ناجحة إلى حد كبير في شرح غالبية ملاحظات المجرات والكون الأكبر. إنه إلى حد بعيد التفسير الأكثر شيوعًا لسبب تصرف الكون كما يتصرف.

لكن فرضية آلية التنمية النظيفة ليست مثالية. مهما كان ، فهو يقع خارج النموذج القياسي لفيزياء الجسيمات ، مما يعني أنه ليس لدينا أي فكرة عن ماهيته. كما أنه يجد صعوبة في شرح شيء يسمى علاقة باريونيك تولي-فيشر. توضح العلاقة المرصودة أن الكتلة الكلية للمادة العادية ، التي تسمى المادة الباريونية ، للمجرة تتناسب مع القوة الرابعة لسرعة الدوران. لكن نماذج آلية التنمية النظيفة تتنبأ بأن العلاقة يجب أن تكون مع القوة الثالثة ، وتتنبأ بأن المجرات تدور أبطأ لكمية معينة من الكتلة مما تفعله بالفعل.

ماذا يمكن ان يحدث ايضا؟

توو لو موند

البديل لفكرة آلية التنمية النظيفة بأكملها هو فهم معدل للجاذبية. أبسط النماذج تندرج تحت فئة تسمى MOND ، للديناميكيات النيوتونية المعدلة. تحل هذه النماذج محل الفيزياء النيوتونية (اعتقد القوة = تسريع الكتلة ×) بعلاقات أخرى تطابق معدل دوران النجوم الملحوظ داخل المجرات. بينما كانت هذه النماذج شائعة عندما تم اكتشاف المادة المظلمة لأول مرة في السبعينيات والثمانينيات من القرن الماضي ، إلا أنها فشلت في تفسير ملاحظات عناقيد المجرات والكون الأكبر ؛ على هذا النحو ، رفض معظم العلماء جميعًا هذه النماذج.

لكن أوجه القصور في آلية التنمية النظيفة لتفسير ديناميكيات المجرة الداخلية توفر فرصة لبقاء موند. إذا أرادت نظرية “مونديان” التنافس على مرحلة المجرة ، فيجب أن تكون متوافقة مع نظرياتنا الأخرى في الفيزياء ، مثل النظرية الخاصة للنسبية وميكانيكا الكم . هذا هو بالضبط ما شرع هيرتزبيرج وفريقه في القيام به. تم نشر نتائج دراستهم في مايو إلى قاعدة بيانات ما قبل الطباعة arXiv ، لذلك لم تتم مراجعة الدراسة من قبل الزملاء.

قال هيرتزبيرج لـ Live Science: “إن الإمكانية الوحيدة للحصول على شيء جديد [في إطار النسبية وميكانيكا الكم] هي إضافة درجات جديدة من الحرية”. بعبارة أخرى ، من أجل جعل نظريات MONDian تعمل مع الفيزياء المعروفة ، عليك إضافة مجموعة كاملة من الأشياء غير التقليدية إلى النظريات. في فحص تلك الأشياء غير التقليدية ، وجد هيرتزبيرج وزملاؤه جاكوب ليترر ونيل شاه “بعض المشكلات النظرية الكامنة في هذه المحاولات”.

محلية وسببية

على سبيل المثال ، قام Hertzberg وزملاؤه بفحص ما إذا كانت نظريات MONDian تحمي مبدأين: المكانة والسببية. المحلية هي مفهوم أن الأشياء تتأثر مباشرة بمحيطها فقط – لكي يؤثر كائن ما على آخر ، يجب أن ينقل هذا التأثير عبر شيء مثل القوة التي تنتقل بسرعة محدودة. السببية هي الفكرة البسيطة القائلة بأن كل الأحداث لها سبب.

إذا كانت النظرية تنتهك المكانة و / أو السببية ، فمن غير المرجح أن تتوافق مع نظرياتنا في الفيزياء ، والتي تحمي كلا المبدأين

“إذا تخلى المرء عن مبادئ السببية والمحلية ، فهذا يعني أننا غير قادرين أساسًا على شرح بنية النموذج القياسي لفيزياء الجسيمات والنسبية العامة ، حيث إنها بعض المبادئ المركزية التي تدخل في بناء هذه النظريات في قال هيرتزبيرج. “بعبارة أخرى ، إذا تم كسر السببية بشكل سيئ في الطبيعة ، فمن المحتمل أننا قد رأيناها بالفعل في تصحيحات مختلفة لفيزياء الجسيمات في المختبر أو اختبارات الجاذبية في الفضاء.”

بعبارة أخرى ، كان يجب أن نلاحظ ذلك الآن.

نظرًا لأن جميع الأدلة المتاحة تشير إلى أنه تم الحفاظ على المكانة والسببية (على الأقل على المقاييس العيانية) ، فيجب إذن أن تخضع لأي نظرية جديدة في الفيزياء. وضع فريق الفيزيائيين نظريات MONDian على المحك ووجدوا أنها تحتوي على ميزات تسمح بعدم الموضعية والخطورة. بعبارة أخرى ، إذا كانت نظريات MONDian صحيحة ، فمن الممكن أن تحدث الأحداث بدون سبب وأن تنتقل التأثيرات على الفور ، مما ينتهك حد سرعة الضوء في الكون.

قال هيرتزبيرج: “نظرًا لأننا وجدنا أن المقترحات الحالية للمادة المظلمة الجديدة جذريًا والنظريات الشبيهة بـ MOND لها شكل من أشكال اللاسببية ، فإنها تشير إلى أنه قد لا يتم دمجها في الفيزياء الأساسية ، على الأقل في شكلها الحالي”.

نهاية MOND؟

قد يكون من الممكن بالفعل انتهاك المكان والسببية على مستويات المجرة ، ولكن سيكون من الصعب للغاية التوفيق بين كل شيء آخر نعرفه عن الفيزياء.

فيما يتعلق بمستقبل نظريات MONDian ، تكهن Hertzberg ، “إنها تحفز محاولات محاولة بناء بعض الفئات من النماذج المتشابهة التي تحافظ بطريقة ما على السببية ، ولكن هذا يبدو صعب التحقيق. في ورقتنا البحثية ، نظهر أن الشكل العام لهذه النماذج يفشل الاختبارات المذكورة أعلاه من أجل الاتساق “.

ومع ذلك ، فإن نموذج “المادة المظلمة الباردة” يجد صعوبة في شرح تفاصيل فيزياء المجرات. ولكن يمكن أن تكون هناك أسباب دنيوية أكثر من ذلك بكثير بدلاً من قلب جميع الفيزياء المعروفة. من الصعب للغاية نمذجة كيفية تشكل المجرات وتطورها ، حتى مع مراعاة جميع العمليات الفوضوية حيث تلعب المادة الطبيعية دورًا. ربما ، سيوفر الفهم الأكثر تطورًا للمجرات تفسيرًا لعلاقة باريونيك تولي-فيشر المرصودة.

وتعد آلية التنمية النظيفة إلى حد بعيد أفضل تفسير لدينا.

قال هيرتزبيرج: “إن الشيء الرائع في آلية التنمية النظيفة هو أنها نظريًا على أرضية صلبة ، وتجتاز جميع اختبارات الاتساق النظرية المذكورة أعلاه ، على الرغم من أنها ليست جزءًا من النموذج القياسي لفيزياء الجسيمات”. “السبب في أنني أقول أنها على أرض صلبة هو أنه لا يوجد سبب نظري معروف لعدم وجود بعض الجسيمات المستقرة والمحايدة في الكون والتي لا ترتبط كثيرًا بنا. لذا فإن آلية التنمية النظيفة مدعومة ، من أجل الآن ، كفكرة رائدة “.

بعد ذلك ، سينظر الفريق في النماذج التي تحاول الجمع بين نجاحات المادة المظلمة الباردة وديناميكيات MONDian ، على حد قول هيرتزبيرج.

المصدر/ livescience.comالمترجم/barabic.com