Ако гравитацията сама по себе си не е основна сила, а по-скоро възникващи, много от мистериите на пространството и времето могат да имат различно решение от онези, които търсим в момента. Кредитна снимка: Zoltán Vörös от flickr.

Последните претенции са невалидни: Emergency Gravity може да достави Вселена без тъмна материя

Най-новият предизвикател на трона на тъмната материя в крайна сметка може да не е толкова труден за сваляне.

Този пост беше написан от Сабине Хосенфелдер. Сабине е теоретичен физик, специализиран в квантовата гравитация и физиката на висока енергия. Освен това пише на свободна практика за науката.

„В нашето описание на природата целта не е да разкрием истинската същност на явленията, а само да проследим, доколкото е възможно, отношенията между многобройните аспекти на нашия опит.“ -Нийлс Бор

Гравитацията е една от четирите основни сили на природата, което означава, че не се извлича от нищо друго - просто е така. Поне това е според нашите приети понастоящем теории. Но това може да е на път да се промени.

Изкривяването на космическото време, в общата релативистка картина, от гравитационни маси. Кредит за изображение: LIGO / T. Пайл.

Днес физиците описват гравитационното взаимодействие чрез Теорията на общата относителност на Айнщайн, която диктува ефектите на гравитацията се дължат на кривината пространство-време. Но вече минаха 20 години, откакто Тед Джейкъбсън демонстрира, че Общата относителност прилича на термодинамика, което е рамка за описание на това как се държат много голям брой отделни съставни частици. Оттогава физиците се опитват да разберат дали това сходство е формално съвпадение или намеква за по-дълбока истина: че пространството-времето е направено от малки елементи, чието колективно движение поражда силата, която наричаме гравитация. В този случай гравитацията не би била наистина фундаментално явление, а възникващо.

Проблемът е, че ако възникващата гравитация просто възпроизвежда Обща относителност, няма начин да се тества идеята. Това, от което се нуждаем, е прогноза за възникващата гравитация, която се отклонява от общата относителност.

Материята на космическото време, илюстрирана, с пулсации и деформации поради масата. Нова теория трябва да е повече от идентична с общата относителност; тя трябва да прави нови, различни прогнози. Кредит за изображение: Европейска гравитационна обсерватория, Lionel BRET / EUROLIOS.

Такова предсказание направи преди два месеца Ерик Верлинде в новата си книга. Верлинде посочи, че възникващата гравитация във вселена с положителна космологична константа - като тази, в която живеем - само приблизително ще възпроизведе общата относителност. Микроскопичните съставки на пространството и времето, твърди Верлинде, също реагират на присъствието на материята по начин, който Общата относителност не улавя: те се натискат навътре към материята. Това създава ефект, подобен на този, приписван на тъмната материя на частиците, който привлича нормалната материя чрез гравитационното си привличане.

Идеята на Верлинде е интересна и решава два проблема, които поразиха предишни опити за възникване на гравитацията.

Два възможни модела на заплитане в пространството на Де Ситер, представляващи заплетени битове на квантова информация, които могат да позволят появата на пространство, време и гравитация. Кредит за изображение: Erik Verlinde, чрез https://arxiv.org/pdf/1611.02269v2.pdf.

Първо, той предполага, че отклоненията от общата относителност възникват, защото микроскопичните съставки на пространството и времето имат допълнителен вид ентропия. В термодинамичната формулировка на гравитацията ентропията - това е броят на възможните микроскопични конфигурации - които максимално може да има обем, е пропорционална на повърхността на този обем. Това също често се нарича „холографска“ ентропия, тъй като показва, че всичко, което се случва вътре в обема, може изцяло да бъде кодирано на повърхността му. Допълнителната ентропия, която Verlinde въвежда вместо това нараства със самия обем.

Илюстрация на стъпка в появата на гравитацията, както го знаем според идеята за ентропичната гравитация. Кредит за изображение: Erik Verlinde, чрез https://arxiv.org/pdf/1611.02269v2.pdf.

Промяната в Общата относителност след това се получава, тъй като материята - така предполага и хипотезата - намалява новата, мащабираща ентропия в средата си. Намалението на ентропията води до намаляване на обема, което от своя страна създава сила, тласкаща навътре към материята. Тази сила, показва Верлинде, е подобна на силата, която обикновено се приписва на тъмната материя - която се дърпа в нормална материя от нейната допълнителна гравитационна маса.

Ореолът на тъмната материя около галактиките по принцип може да се обясни с нов тип ентропия, който е повлиян от нормалната, барионна материя, присъстваща в космоса. Кредит за изображение: ESO / L. Calçada.

Новата ентропия, която Verlinde въвежда, не може да стане по-малка от нула. Следователно, след като допълнителната ентропия е напълно изчерпана, човек се оставя само с обичайната холографска ентропия и получава обратно обикновена обща относителност. Това се случва в системи със сравнително висока средна плътност, като например слънчеви системи. На галактически мащаби обаче модификацията на Общата относителност става забележима и се проявява като видима тъмна материя. Това решава сериозен проблем с много модификации на гравитацията, които обикновено работят добре на галактически мащаби, но не и на скали на слънчевата система.

Второ, идеята на Верлинде обяснява едно предварително отбелязано числово съвпадение. При модифицирани гравитационни сценарии, отклонението от общата относителност става уместно при определен мащаб на ускорение. Тази скала се оказва сходна - при същия порядък - на температурата на пространството на де-Ситер, която е пропорционална на (квадратен корен на) космологичната константа. В новия възникващ модел на гравитация това отношение следва, защото привидното тъмно вещество всъщност е свързано с космологичната константа.

Количеството на тъмната материя и тъмната енергия се определя чрез независими източници: свръхнови, CMB и BAO / едромащабна структура. В възникващата гравитация има само нов тип ентропия, отговорен за това, което възприемаме като въздействието както на тъмната материя, така и на тъмната енергия. Кредитна снимка: Космологичен проект Supernova, Amanullah и др., Ap.J. (2010 г.).

Така че това е обещаваща идея и тя наскоро беше поставена за тестване в редица документи.

Един документ е особено критичен, като авторите твърдят, че са изключили модела със седем порядъка, използвайки данни от слънчевата система. Но изглежда не са взели предвид, че уравнението, което използват, не важи за скалите на слънчевата система. Следователно тяхното заключение е невалидно.

Друга книга, която се появи преди две седмици, изпробва прогнозите от модела на Верлинде спрямо кривите на въртене на проба от 152 галактики. Спешната гравитация се разминава с това, че е почти съвместима с данните - това систематично води до твърде високо ускорение, за да се обяснят наблюденията.

Трио от други документи показват, че моделът на Верлинде като цяло е съвместим с данните, въпреки че не се отличава особено с нищо или обяснява нещо ново.

Удължената крива на въртене на M33, галактиката Триъгълник. Тъмната материя, MOND и възникващата гравитация вършат по-добри или по-лоши задачи при обяснението на тези криви на въртене. Кредитно изображение: потребител на Wikimedia Commons Stefania.deluca.

Човек трябва да тълкува тези изследвания с повишено внимание. Всички тестват едно конкретно уравнение, което Верлинде изведе в своята книга, което описва изключително идеализирана ситуация. Освен това не е напълно ясно кои точно приближения трябва да се направят, за да се стигне до това уравнение за начало. Ето защо считам съществуващите тестове на този модел за неубедителни. Оптимист съм, че с по-добро разбиране на модела, ще дойде да се поберат и криви на въртене, ако не и по-добре, като предишните варианти на модифицирана гравитация.

Истинското предизвикателство за възникващата гравитация според мен не са галактическите криви на въртене. Това е единственият домейн, където вече знаем, че модифицираната гравитация - най-сетне някои нейни варианти - работи добре. Истинското предизвикателство е също да се обясни формирането на структурата в ранната Вселена или всякакви гравитационни явления на по-големи (десетки милиони светлинни години или повече) мащаби.

Колебанията в космическия микровълнов фон или остатъчният блясък на Големия взрив съдържат множество информация за това, което е закодирано в историята на Вселената. Кредит за изображения: ESA и сътрудничество на Planck.

Тъмната материя на частиците е от съществено значение за получаване на правилни прогнози за температурните колебания в космическия микровълнов фон. Това е забележително постижение и никоя алтернатива на тъмната материя не може да бъде взета сериозно, стига да не може да се справи поне също. За съжаление нововъзникващият модел на гравитация на Верлинде не позволява необходимия анализ - поне все още не.

В обобщение, тъмната материя на частиците се справя добре и възникващата гравитация все още има дълъг път, за да я изпревари.

Тази публикация за пръв път се появи във Forbes и е предоставена без реклами от нашите привърженици на Patreon. Коментирайте на нашия форум и купете първата ни книга: Beyond The Galaxy!