De ontbrekende schakel: de zwaartekracht van Newton-Einstein stort in of is Einstein klaar?

Einsteins algemene relativiteitstheorie, die de zwaartekrachteffecten van zwarte massa's en gaten beschrijft, evenals de evolutie van het universum als geheel, heeft zichzelf al meer dan 100 jaar bewezen en heeft tot nu toe alle tests met succes doorstaan. Het omvat Newtons veel oudere theorie van de zwaartekracht als een speciaal geval van kleine massa's over grote afstanden. Maar bij het beschrijven van de rotatie van sterrenstelsels en de uitdijing van het heelal is het niet mogelijk om af te zien van aanvullende aannames zoals de aanwezigheid van enorme hoeveelheden onzichtbare donkere materie en de kosmologische constante, die fysiek nog niet gerechtvaardigd is. vereist voltooiing.

advertentie

Er is echter nog geen overtuigend bewijs geleverd voor de geldigheid van alternatieve theorieën, en er is geen alternatief dat bijna zo sterk is als de relativiteitstheorie. De afgelopen maanden zijn er twee artikelen gepresenteerd die op het eerste gezicht de indruk wekken dat de algemene relativiteitstheorie en het goede oude Newton aan het wankelen zijn gebracht. Maar hoe ziet het er op het tweede gezicht uit? In een korte serie wil ik het werk nader bekijken om de kwestie van de evaluatie van deze gegevens te verduidelijken. Of om het met Giovanni Trapattoni te zeggen: Zijn Newton en Einstein klaar?

Sterrenstelsels met letsel

Op 24 juli 2023 publiceerde The Astrophysical Journal een artikel van de Koreaanse astronoom Chae Kyu-hyun van de Sejong Universiteit in Seoul. Daarin doet Chai verslag van zijn studie van de banen van 26.500 massieve dubbelsterren die de zwaartekrachtwet van Newton en Einstein lijken te trotseren.

Chai is een voorstander van Modified Newtonian Dynamics (MOND, de afkorting heeft niets te maken met de satelliet van de aarde en wordt uitgesproken als de lettergreep “maan” in “mondän”). MOND is een alternatieve theorie voor de zwaartekrachttheorieën van Newton en Einstein, veertig jaar geleden bedacht door Mordehai Milgrom om de rotatiecurven van sterrenstelsels te verklaren. Rotatiecurven geven aan hoe snel sterren om hen heen bewegen op een bepaalde afstand van het centrum van het sterrenstelsel, en deze snelheid hangt af van de hoeveelheid massa die het sterrenstelsel bevat. Je kunt de massa van sterren schatten op basis van hun licht, en ontdekken dat deze zichtbare materie niet genoeg is om het sterrenstelsel bij elkaar te houden als de sterren zo snel bewegen als de gemeten rotatiecurve suggereert.

De verklaring, binnen het raamwerk van de theorieën van Newton en Einstein die door de meerderheid van astronomen worden aanvaard, is dat er naast de sterren ook een grote hoeveelheid niet-waarneembare donkere materie in sterrenstelsels aanwezig is, de massa van de zon. Dat is vier of meer keer groter dan het aantal sterren. Volgens de theorie van Milgrom zouden de theorieën van Newton en Einstein alleen benaderingen moeten zijn in het nabije veld van massa's, terwijl de wet van de zwaartekracht op grotere afstanden een andere vorm zou moeten aannemen en de zwaartekracht langzamer zou moeten afnemen met de afstand.

In eenvoudiger bewoordingen neemt de zwaartekrachtversnelling waarmee een uit rusttoestand bevrijd proefstuk naar het blok valt af met het kwadraat van de Newton als het kwadraat van de afstand tot het blok. Bij MOND zou dit echter alleen moeten gebeuren in het zogenaamde ‘Newtoniaanse regime’ boven een bepaalde versnelling A₀ Het is in de orde van 1,2 x 10^-10 Het moet m/s² zijn. Buiten het Newtoniaanse systeem neemt de versnelling lineair af met de afstand, en veel langzamer. Dit betekent dat verder weg gelegen objecten meer gebonden zullen zijn aan de zwaartekracht van MOND dan die van Newton, wat de sterrenstelsels zal helpen compacter te zijn en dus hogere omloopsnelheden van de sterren nodig heeft terwijl ze roteren, net zoals waargenomen – zonder enige donkere materie. Dit lijkt in eerste instantie erg verleidelijk.

Het probleem met deze theorie is echter dat er geen momentum en energie in een baan wordt behouden, wat betekent dat de banen van sterren op de lange termijn zullen vervallen en dat de sterren in de melkweg naar binnen zullen drijven, tenminste tot het Newtoniaanse systeem. Daarom bedacht Milgrom, samen met Jacob Bekenstein, een variant van de theorie, die zij AQUAL (“A-QUadratic Lagrangiaans”) noemden, afgeleid van het Lagrangiaans formalisme, waarin de beweging van objecten onder invloed van krachten afhangt van beperkende omstandigheden, zoals als het behoud van de totale kinetische energie en lokale energie; AQUAL is een niet-relativistische voorloper van de latere TeVeS-theorie van Milgrom & Bekenstein). In AQUAL blijven energie en momentum behouden en wordt de zwaartekrachtversnelling met slechts 10% tot 15% verminderd vergeleken met MOND wanneer de materie schijfvormig is, zoals in spiraalvormige sterrenstelsels.

We hebben nu dus twee concurrerende verklaringen voor de rotatiecurven van sterrenstelsels: de zwaartekrachtwet van Newton met extra donkere materie, en de AQUAL-wet zonder. Hoe bepaal je welke theorie beter is? In de natuurkunde wordt dit meestal experimenteel aangetoond. Men moet de versnelling van een testmonster in een zeer zwak zwaartekrachtveld berekenen dat kleiner is dan de versnelling A₀ Maatregelen. Indien dit overeenkomt met de (kleinere) Newton-waarde, wordt Newton toegepast. Als het overeenkomt met de AQUAL-waarde, wint Milgrom.

Er zijn echter twee problemen: Ten eerste: a₀ Ongelooflijk klein – onze zon veroorzaakt zo'n kleine zwaartekrachtversnelling op een afstand van 7.000 astronomische eenheden (1AU = astronomische eenheid = 149,5 miljoen km, gemiddelde afstand tussen de aarde en de zon), wat 233 maal de afstand is van de buitenplaneet Neptunus onze planeet . zon . Het meten van zo’n kleine versnelling zou erg moeilijk zijn. Hierdoor falen we nu al Zwaartekracht constant Specificeert precisie tot meer dan drie decimalen.

Ten tweede zou een dergelijke meting in een grondlaboratorium vooral mislukken omdat het principe van superpositie van krachten niet van toepassing is in MOND-theorieën: Gravitatiebalans van Cavendish Het werkte opmerkelijk goed in het zwaartekrachtveld van de aarde, omdat de afbuiging van de testblokken plaatsvond in een vlak loodrecht op het zwaartekrachtveld van de aarde – het zwaartekrachtveld werd dus de facto uitgeschakeld. Bij MOND en AQUAL is echter het ‘externe veldeffect’ van toepassing, dat stelt dat in een sterk zwaartekrachtveld de versnelling van de zwaartekracht altijd in het Newtoniaanse regime ligt, dat wil zeggen dat in het zwaartekrachtveld van de aarde MOND en AQUAL dezelfde meting zullen geven. resultaten. Net als Newton, ook al staat de meting loodrecht op de richting van het zwaartekrachtveld van de aarde. Wat daarom nodig is, is een meting ter plaatse in het systeem onder A₀Dat wil zeggen, in de diepe ruimte. Helaas bevindt het Newtoniaanse systeem van de zon zich slechts 44 keer verder weg dan het verste door de mens gemaakte object, de Voyager 1-sonde, het in de afgelopen 46 jaar heeft kunnen bereiken. Maar er zijn natuurlijke laboratoria in de ruimte!