L’anello mancante: la gravità Newton-Einstein crolla o Einstein è finito?

La teoria della relatività generale di Einstein, che descrive gli effetti gravitazionali delle masse nere e dei buchi nonché l'evoluzione dell'universo nel suo insieme, si è affermata da più di 100 anni e finora ha superato con successo tutti i test. Include la teoria della gravità molto più antica di Newton come caso speciale di piccole masse su grandi distanze. Ma quando si descrive la rotazione delle galassie e l’espansione dell’universo, non è possibile fare a meno di presupposti aggiuntivi come la presenza di enormi quantità di materia oscura invisibile e la costante cosmologica, che non è ancora stata giustificata fisicamente, quindi la modifica richiede il completamento.

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Tuttavia, non sono state ancora fornite prove convincenti della validità di teorie alternative, e non esiste un’alternativa altrettanto forte quanto la teoria della relatività. Negli ultimi mesi sono stati presentati due articoli che a prima vista danno l'impressione che la relatività generale e il buon vecchio Newton siano stati scossi. Ma come appare a una seconda occhiata? In una breve serie, vorrei dare uno sguardo più da vicino al lavoro per chiarire la questione di come valutare questi dati. O per dirla con Giovanni Trapattoni: Newton ed Einstein sono finiti?

Galassie con lesioni

Il 24 luglio 2023, The Astrophysical Journal ha pubblicato un articolo dell'astronomo coreano Chae Kyu-hyun dell'Università Sejong di Seoul. In esso, Chai riferisce del suo studio sulle orbite di 26.500 stelle binarie massicce che sembrano sfidare la legge di gravità di Newton ed Einstein.

Chai è un sostenitore della dinamica newtoniana modificata (MOND, l'abbreviazione non ha nulla a che fare con il satellite terrestre ed è pronunciata come la sillaba “luna” in “mondän”). MOND è una teoria alternativa alle teorie della gravità di Newton ed Einstein, ideata da Mordehai Milgrom 40 anni fa per spiegare le curve di rotazione delle galassie. Le curve di rotazione indicano la velocità con cui le stelle si muovono attorno a loro ad una certa distanza dal centro della galassia, e questa velocità dipende dalla quantità di massa contenuta nella galassia. Puoi stimare la massa delle stelle in base alla loro luce e scoprire che questa materia visibile non è sufficiente a tenere insieme la galassia se le stelle si muovono alla velocità suggerita dalla curva di rotazione misurata.

La spiegazione, nel quadro delle teorie newtoniane ed einsteiniane accettate dalla maggior parte degli astronomi, è che oltre alle stelle, nelle galassie dovrebbe esserci una grande quantità di materia oscura non osservabile, la massa del Sole. Che supera le stelle di quattro o più volte. Secondo la teoria di Milgrom, le teorie di Newton ed Einstein dovrebbero essere solo approssimazioni nel campo vicino delle masse, mentre la legge di gravità dovrebbe assumere una forma diversa a distanze maggiori e la gravità dovrebbe diminuire più lentamente con la distanza.

In termini più semplici, l'accelerazione gravitazionale con cui un campione rilasciato da fermo cade verso il blocco diminuisce con il quadrato di Newton pari al quadrato della distanza dal blocco. Tuttavia, con MOND, ciò dovrebbe avvenire solo nel cosiddetto “regime newtoniano” al di sopra di una certa accelerazione A₀ È nell'ordine di 1,2 x 10^-10 Dovrebbe essere m/s². Al di fuori del sistema newtoniano, l'accelerazione diminuisce linearmente con la distanza e molto più lentamente. Ciò significa che gli oggetti più distanti saranno vincolati dalla forza gravitazionale di MOND più che da quella di Newton, il che aiuterà le galassie a essere più compatte e quindi richiederanno velocità orbitali più elevate delle stelle mentre ruotano, proprio come osservato, senza materia oscura. All'inizio sembra molto allettante.

Tuttavia, il difetto di questa teoria è che non conserva la quantità di moto e l'energia in un'orbita, il che significa che le orbite delle stelle decaderanno nel lungo periodo e le stelle nella galassia si sposteranno verso l'interno, almeno fino al sistema newtoniano. Pertanto, Milgrom, insieme a Jacob Bekenstein, ideò una variante della teoria, che chiamarono AQUAL (“Lagrangiana A-QUadratica”, derivata dal formalismo lagrangiano, in cui il movimento degli oggetti sotto l'influenza di forze dipende da condizioni restrittive, come come conservazione dell'energia cinetica totale e dell'energia locale; AQUAL è un predecessore non relativistico della successiva teoria TeVeS di Milgrom e Bekenstein). In AQUAL, l'energia e la quantità di moto sono conservate e l'accelerazione gravitazionale è ridotta solo dal 10% al 15% rispetto a MOND quando la materia è a forma di disco, come nelle galassie a spirale.

Quindi ora abbiamo due spiegazioni concorrenti per le curve di rotazione delle galassie: la legge di gravità di Newton con materia oscura extra e la legge AQUAL senza di essa. Come determinare quale teoria è migliore? In fisica, questo viene solitamente dimostrato mediante esperimenti. Bisogna calcolare l'accelerazione di un campione in un campo gravitazionale molto debole inferiore all'accelerazione A₀ Le misure. Se questo corrisponde al valore Newton (più piccolo), verrà applicato Newton. Se corrisponde al valore AQUAL, Milgrom vince.

Tuttavia, ci sono due problemi: in primo luogo, a₀ Incredibilmente piccolo: il nostro Sole provoca un'accelerazione gravitazionale così piccola ad una distanza di 7.000 unità astronomiche (1UA = unità astronomica = 149,5 milioni di km, distanza media tra la Terra e il Sole), ovvero 233 volte la distanza da cui dista il pianeta esterno Nettuno il nostro pianeta . sole . Misurare un’accelerazione così piccola sarebbe molto difficile. Stiamo già fallendo per questo motivo Costante di gravità Specifica la precisione con più di tre cifre decimali.

In secondo luogo, una tale misurazione in un laboratorio terrestre fallirebbe principalmente perché il principio di sovrapposizione delle forze non si applica alle teorie MOND: Equilibrio gravitazionale di Cavendish Ha funzionato molto bene nel campo gravitazionale terrestre perché la deflessione dei blocchi di prova è avvenuta su un piano perpendicolare al campo gravitazionale terrestre, quindi il campo gravitazionale è stato di fatto disattivato. Tuttavia, con MOND e AQUAL si applica l'”effetto di campo esterno”, secondo il quale in un forte campo gravitazionale l'accelerazione di gravità è sempre nel regime newtoniano, cioè nel campo gravitazionale terrestre MOND e AQUAL daranno la stessa misura risultati. Come Newton, anche se la misura è perpendicolare alla direzione del campo gravitazionale terrestre. Pertanto ciò che è richiesto è una misurazione in loco nel sistema di seguito A₀Cioè, nello spazio profondo. Sfortunatamente, il sistema newtoniano del Sole finisce solo 44 volte più lontano di quanto il più lontano oggetto creato dall'uomo, la sonda Voyager 1, sia riuscito a raggiungerlo negli ultimi 46 anni. Ma ci sono laboratori naturali nello spazio!