Након узбудљивих медијских натписа о првим посматрачким доказима у корист нове теорије гравитације, Елементаријум доноси ексклузивни разговор са водећом ауторком овог рада Маргот Броер
Текст: Дарко Доневски
Пре неколико година, холандски физичар Ерик Верлинде са Универзитета у Амстердаму, изазвао је велику пажњу научне јавности предлажући теорију по којој гравитација није фундаментална сила природе. У модерној науци 21. века ретка су открића која имају за циљ да мењају широко прихваћене парадигме. Закон гравитације, који је формулисао Исак Њутн још у 17. веку, једна је од њих.
Друга велика парадигма је тзв. “космолошка”, и она је представљена моделом који у себи садржи компоненте неопходне да опишу оно што смо до сад научили о развоју структура у нашем Универзуму. У те компоненте, између осталог, спада и тамна материја.
Промена парадигме?
Нови закон гравитације холандског физичара Верлиндеа претендује да мења поменуте парадигме. Он искључује постојање тамне материје, али и гравитације као фундаменталне силе. Међутим, све закључке ове дискусије треба прихватити критички и искључиво као полазну тачку за праћење даљих анализа ове “вруће”дебате која је поделила научне кругове.
Ерик Верлинде, теоријски космолог са Универзитету у Амстердаму каже да лекције о гравитацији какву смо је учили (и учимо) у школама, не открива неке значајне ствари које углавном сазнају они ученици који касније оду на студије физике. То је једина фундаментална сила чија честица-преносилац није детектована (као што је то случај код електромагнетне или нуклеарне силе), а Ајнштајнова теорија гравитације и квантна механика никако нису помирене чак и 100 година након свог појављивања.
Тако је пре пет година, професор Верлинде изазвао велику пажњу научне јавности предлажући теорију по којој гравитација није фундаментална сила природе, већ “само” манифестација одређених ефеката који зависе од скале на којој се физички процеси дешавају.
Према ономе што је написао у свом раду On The Origin of Gravity And The Laws of Newton (2010) гравитација се понаша слично као температура. Температура система расте када се повећава брзина кретања микроскопских честица у њему, док на сличан начин гравитација показује своја својства када се “побуде” мали пакети информација скривени у структури самог простор-времена.
И не само да у његовој верзији гравитације није потребно да формулишемо гравитацију као силу, већ та теорија искључује и толико чувену и мистериозну тамну материју, за чијом експерименталним потврдом астрофизичари трагају већ деценијама.
Подсетимо се за тренутак феномена тамне материје како бисмо боље разумели ефекат Верлиндеове теорије. На графику је приказана крива ротације типичне спиралне галаксије, конкретно галаксије у Троуглу, М33. Било би логично (на основу теоријских претпоставки, што је на графику представљено наранџастом линијом) очекивати да спољашњи делови галаксија ротирају спорије.
То је закључено на основу масе коју чини тзв. видљива материја попут звезда, планета, међузвезданог гаса и сл. Међутим, астрономска мерења донела су нам нешто потпуно другачије: измерена крива је значајно изнад претпостављене, што доводи до питања: постоји ли још нека додатна маса која утиче на такво понашање објеката? Тако је уведена претпоставка о постојању тамне материје.
Она је названа тамном јер се сматра да ова материја нити емитује нити рефлектује светлост. Занимљиво, али првобитна верзија Верлиндеове теорије прецизно је објаснила овај феномен недостајуће масе, који је довео до тога да се научна јавност запита: може ли се направити први, прави посматрачки тест ове теорије на основу модерних астрономоских података који су тренутно на располагању?
Први посматрачки докази
Тај тест дошао је претходних дана. Тим астронома са Универзитета у Лајдену предвођен докторандкињом Маргот Броер објавио је рад у коме се налазе резултати прве и у исто време веома успешне провере Верлиндеове нове теорије гравитације. Она говори о тестирању Верлиндеове теорије, њеном резултату али и плановима о даљим проверама ове занимљиве идеје.
“Била сам упозната са Ериковим радом, јер се и он налази у Амстердаму. С обзиром да сам се током свог доктората бавила гравитационим сочивима у контексту космологије учинило нам се да можемо да спојимо истраживања и направимо први тест. Ерик је након свог првобитног рада написао још неколико модификација теорије, да би ове године објавио рад Emergent Gravity and the Dark Universe у којем су и предвиђања која се тичу понашања гравитације на разним скалама. Наиме, на основу тог рада постојала је индикација да у великим космолошким структурама, као што су галактичка јата, постоји “вишак” гравитације као последица повећане ентропије, дакле имамо појаву повећања тзв. “ентропичке гравитације” (оригинални термин који Верлинде користи је Emergent Gravity, прим. аут.)“.
Шта заправо представља суштину тзв. “ентропичке гравитације”. Тренутно важећа теорија гравитацију описује као силу које се остварује преко поља (квантна теорија поља) и честице-преносиоца (хипотетички је предвиђено постојање гравитона). У Верлиндеовој верзији, гравитација се математички рефлектује на исти онај начин који смо учили у школама: пропорционална је производу маса а обрнуто пропорционална квадрату растојања између тих маса.
Суштинска разлика је у томе што се до формуле долази статистичким путем, на основу теорије термодинамике, а не на основу Њутнових принципа. Оно што је права новина у тој теорији јесте увођење претпоставке да свака додатна информација своје порекло има у холографском принципу, који каже да се апсолутно свака информација о било ком објекту (честици) у свемиру може пронаћи у довољно великој сфери око њега.
Ту идеју постулирала су велика имена физике (и Верлиндеови ментори), Нобеловци Герхард т’Хуфт и Леонард Саскинд, познати космолог са Стенфорда. Међутим, Верлинде је отишао и корак даље, претпостављајући да је део информација садржан и у самом простору.
“Да, то је заиста запањујуће и узбудљиво у исто време”, наставља Маргот, “Верлинде је тако претпоставио да свака додатна информација која је садржана на местима појачане гравитације, тамо где се налази веће концентрације масе, доводи до резултантне силе која перфектно објашњава ефекат за који смо мислили да је проузрокован тамном материјом. Пронашли смо довољно добар узорак галаксија да Верлиндеову теорију испробамо. За то је било потребно неколико услова: објекти су морали да буду у локалном свемиру, сферни и изоловани, тако да доминирају својим масама, односно да се на неки начин понашају као објекти које у астрономији знамо под именом гравитационих сочива. Они се тако зову јер својом масом закривљују светлост објекта (галаксије у овом случају, прим. аут.) појачавају је, и омогућавају да се тај удаљени објекат открије чак иако је много слабијег сјаја”.
Узорак који су Маргот Броер и њени сарадници користили садржао је преко 30 хиљада локалних галаксија на црвеним помацима мањим од 1. То су галаксије које су старе око 6 милијарди година, и за које корекције на космолошке удаљености нису толико значајне као на пример за галаксије које су се формирала свега милијарду година након Великог праска.
Подсетимо се, старост Универзума на основу последњих мерења износи око 13.79 милијарди година. Тим научника је реконструисао масу свих селектованих објеката, а циљ је био да виде како се за различите опсеге маса, од најмањих ка највећим, понашају предвиђања Верлиндеове теорије у односу на резултате посматрања.
“Резултат мерења је дао запањујуће прецизна поклапања теорије и посматрачких података. Показали смо да се функција која описује масе може адекватно прецизно добити и без увођења “у игру” тамне материје, што је био и наш крајњи циљ”, истакла је она.
Треба напоменути још једну важну ствар када је у питању Верлиндеова теорија, у односу на неке друге алтернативне теорије које су такође покушале да објасне посматрања без коришћења тамне материја, попут теорије MOND (Модификована теорија гравитације).
Док је MOND настао као резултат жеље да се крене од посматрања како би се дошло до модификације понашања гравитације на различитим скалама, у Верлиндеовом случају је приступ потпуно другачији – он је као резултат свог иницијалног приступа из термодинамике добио предвиђање које астрономи сада практично проверавају.
“Узбуђени смо, и добили смо велику медијску подршку, међутим свесни смо да је ово само први тест и да много ствари треба да се уради како бисмо били ближи неком коначном одговору. Наиме, ова теорија за сад може да објасни само локалне системе, такође треба да се тестира на примеру неких других објеката, пре свега оних интерагујућих, а такође да се провери како се све односи са астрочестичном физиком.”, закључила је Маргот.
Један од занимљивих будућих тестова биће понашање галаксија у комплексним јатима попут галатичког јата Вирго. То јато поседује велики број масивних гравитацијских сочива, а недавна открића научника са неких европских института дају предвиђања колико далеких галаксија може да буде откривено уколико се искористи еволуција односа њиховог UV и инфрацрвеног зрачења. С обзиром да је откривено много више изразито луминозних система него што модели предвиђају, то би потенцијално био веома важан тест за Верлиндеову теорију дорађену за галаксије у раном Свемиру.
Недуго након рада Маргот Броер, на сајту нових научних публикација arXiv појавио се још један рад који потврђује Верлиндеову теорију и то за потпуно супротан случај: случај малих сателита нешег Млечног пута који су познати под називом патуљасте сфероидне галаксије. То је истовремено и пример колико се модерна наука брзо развија и поседује сасвим довољно посматрачких ресурса да проверава компликоване научне теорије. Ипак, ово је тек почетак приче о ентропичкој гравитацији, јер остају многи астрономски феномени које тренутни облик Верлиндеове теорије не може да објасни без укључивања тамне материје. Међутим, први задатак је успешно обављен.