Η σκοτεινή πλευρά της βαρύτητας

Άρθρο, Ιούνιος 2006

Παρά την έρευνα δεκαετιών, η σκοτεινή ύλη η οποία υποτίθεται ότι συγκρατεί τους γαλαξίες πουθενά ακόμα δεν μπορεί να βρεθεί. Ο Matthew Chalmers περιγράφει πώς μερικοί φυσικοί νομίζουν ότι έχει περισσότερο νόημα να αλλάξει η θεωρία της βαρύτητας, αντί να ψάχνουμε για τη σκοτεινή ύλη.

Υπάρχουν πολλοί που υποστηρίζουν ότι έχουν ξαναγράψει τους νόμους της φυσικής ιδιαίτερα δε το νόμο της βαρύτητας. Αν και δεν πρέπει αυτόματα να σβήσουμε αυτές τις ιδέες - σκεφτείτε ότι ο Αϊνστάιν σε τελική ανάλυση ήταν ένας άγνωστος υπάλληλος του γραφείου διπλωμάτων ευρεσιτεχνίας, όταν τάραξε τον σύμπαν της φυσικής το 1905 - οι προτάσεις αυτές αποτυγχάνουν επειδή οι υπερασπιστές τους αποτυγχάνουν να τις βάλουν σε ένα πλαίσιο κάτω υπό την υπάρχουσα γνώση.

Το ίδιο πράγμα όμως δεν μπορεί να ειπωθεί για έναν αυξανόμενο αριθμό γνωστών φυσικών που νομίζουν ότι η γενική θεωρία  της σχετικότητας είναι τώρα ώριμη για αναθεώρηση. Η γενική σχετικότητα είναι στέρεο τμήμα της σύγχρονης φυσικής. Περιγράφει με κομψούς μαθηματικούς όρους πώς η ύλη αναγκάζει το χωρόχρονο να κάμπτεται, και επομένως πώς κινούνται σε ένα βαρυτικό πεδίο τα αντικείμενα. Δεδομένου ότι η θεωρία δημοσιεύθηκε το 1916, η γενική σχετικότητα έχει περάσει κάθε δοκιμή και σε πολλούς φυσικούς η ιδέα ότι είναι λανθασμένη είναι ιερόσυλη.

Αλλά το κίνητρο για την ανάπτυξη μιας εναλλακτικής θεωρίας της βαρύτητας είναι ιδιαίτερα ισχυρό. Κατά τη διάρκεια των τελευταίων ετών οι κοσμολόγοι έχουν φθάσει σε ένα απλό - και ακόμα εξαιρετικά επιτυχές - μοντέλο του σύμπαντος. Το πρόβλημα είναι ότι αυτό απαιτεί το μεγαλύτερο μέρος του σύμπαντος να είναι γεμάτο με μια μυστήρια ουσία που δεν μπορούμε να δούμε. Ειδικότερα, η γενική σχετικότητα - ή μάλλον το μη-σχετικιστικό όριό της, η γνωστή ως νευτώνεια βαρυτική θεωρία - μπορεί σωστά να περιγράψει τη δυναμική των γαλαξιών μόνο εάν επικαλούμαστε κάποιες τεράστιες ποσότητες σκοτεινής ύλης. Επιπλέον, μια εξωτική οντότητα - η σκοτεινή ενέργεια - είναι απαραίτητη για να δικαιολογήσει την πρόσφατη ανακάλυψη πως η επέκταση του σύμπαντος επιταχύνεται. Πράγματι, στο καθιερωμένο μοντέλο της κοσμολογίας, η ορατή ύλη - όπως τα αστέρια και οι πλανήτες - αποτελεί ακριβώς μόνο το 4% του συνολικού σύμπαντος και είναι τελείως ανεπαρκής για να εξηγήσει τη δυναμική του σύμπαντος..

Αντιμέτωπη με μια έλλειψη άμεσων στοιχείων για τη σκοτεινή ύλη, ένα μικρό αλλά αυξανόμενο τμήμα των φυσικών προτείνει μια εναλλακτική εξήγηση: ότι η σημερινή περιγραφή της βαρύτητας κάνει λάθος.

Σπόροι της αμφιβολίας

Ο νόμος του Νεύτωνα μπορεί να εξηγήσει την περιστροφή των γαλαξιών, όπως του NGC 1560, μόνο αν επικαλεστούμε τη σκοτεινή ύλη. Αλλά η απλή εναλλακτική βαρυτική θεωρία του Milgrom (MOND) ταιριάζει  πάρα πολύ με τα δεδομένα.

Η σκοτεινή ύλη προτάθηκε για πρώτη φορά το 1933 για να εξηγήσει γιατί οι γαλαξίες σε ορισμένα σμήνη κινούνται γρηγορότερα από ότι θα ήταν δυνατόν εάν περιείχαν μόνο τη βαρυονική ύλη που μπορούμε να δούμε.

Μερικές δεκαετίες αργότερα, παρόμοια συμπεριφορά ανιχνεύθηκε και στους μεμονωμένους γαλαξίες. Οι αστρονόμοι παρατήρησαν κάτι περίεργο στους σπειροειδείς γαλαξίες: Τα αστέρια στη μέση και την άκρη ενός σπειροειδούς γαλαξία περιστρέφονται εξίσου γρήγορα με τα αστέρια κοντά στο ίδιο το κέντρο (δηλαδή η περιστροφική ταχύτητα των πιο ακραίων άστρων τους δεν 'ελαττώνεται σαν συνάρτηση της απόστασης αλλά αντίθετα παραμένει σταθερή). Αλλά σύμφωνα με τη νευτώνεια μηχανική (η φυσική των κινούμενων σωμάτων), τα αστέρια που βρίσκονται πιο μακριά από το γαλαξιακό κέντρο πρέπει να περιστραφούν πιο αργά.

Αλλά αν υποθέσουμε ότι υπάρχουν "φωτοστέφανοι" από αόρατη ύλη μέσα και γύρω από τις γαλαξιακές δομές, τότε αποκαθίσταται ο γνωστός νόμος του αντιστρόφου τετραγώνου του Νεύτωνα, δίνοντας έτσι στα αστέρια την πρόσθετη περιστροφική ταχύτητα.

Αν και ενσωματώνεται σταθερά στη σύγχρονη κοσμολογία, η σκοτεινή ύλη αντιμετωπίζεται από πολλούς φυσικούς ως ένας παράγοντας μη αναγκαίος. "Οι αστρονόμοι δεν έχουν  ιδέα τι είναι η σκοτεινή ύλη", λέει ο Hong Sheng Zhao του πανεπιστημίου του Αγίου Ανδρέα. "Είναι κάτι που απαιτείται μάλλον για να εξηγήσει τα στοιχεία, παρά μια θεμελιώδης πρόβλεψη της σωματιδιακής φυσικής, όπως ήταν αρχικά." Η κατάσταση θυμίζει τους αστρονόμους του 1840, που στην προσπάθεια τους να εξηγήσουν τις ανωμαλίες στην τροχιά του Ουρανού θεώρησαν ότι υπάρχει ένας νέος εξωτερικός πλανήτης για να μην απορρίψουν το νόμο του Νεύτωνα. Η κρίσιμη διαφορά, φυσικά, είναι ότι ο Ποσειδώνας ανακαλύφθηκε μετά από λίγο, ενώ η σκοτεινή ύλη παραμένει αόριστη παρά τα έτη που αφιερώθηκαν για την αναζήτηση της.

Το 1983, εντούτοις, ο Mordehai Milgrom, που είναι τώρα στο Ίδρυμα Weizmann στο Ισραήλ, ισχυρίστηκε ότι θα μπορούσε να εξηγήσει την ανώμαλη περιστροφή των γαλαξιών χωρίς την επίκληση της σκοτεινής ύλης. Αντί για να την χρησιμοποιήσει, τροποποίησε το τύπο του Νεύτωνα έτσι ώστε υπό ορισμένες συνθήκες η βαρυτική δύναμη μεταξύ δύο σωμάτων να μειώνεται πιο ήπια από το αντίστροφο τετράγωνο της μεταξύ τους απόστασης. Η βασική ιδιότητα της θεωρίας του Milgrom - που ονομάστηκε Τροποποιημένη Νευτώνεια Δυναμική, ή MOND - ήταν ότι η τροποποιημένη συμπεριφορά αλλάζει κάτω από μια ορισμένη κλίμακα επιτάχυνσης, κι όχι ανάλογα με την απόσταση. Με εντυπωσιακό τρόπο, ο Milgrom ήταν σε θέση να βρει την τιμή αυτής της καθολικής παραμέτρου, έτσι ώστε η MOND να περιγράφει τη δυναμική των γαλαξιών εξαιρετικά καλά, ενώ αλλού να διατηρείται η νευτώνεια βαρύτητα.

Αλλά οποιαδήποτε εναλλακτική θεωρία της βαρύτητας πρέπει να υπολογίζει κάτι περισσότερο από τη δυναμική μόνο των γαλαξιών. Ειδικότερα, πρέπει να είναι σε θέση να εξηγήσει τον τρόπο που το φως κάμπτεται από τα τεράστια αντικείμενα - μια κεντρική πρόβλεψη της γενικής σχετικότητας που επιβεβαιώθηκε εντυπωσιακά κατά τη διάρκεια της ηλιακής έκλειψης του 1919. Η πιο εντυπωσιακή εκδήλωση αυτού του φαινομένου είναι ο βαρυτικόε εστιασμός, φαινόμενο με το οποίο οι γαλαξίες ή τα σμήνη των γαλαξιών αναγκάζουν το φως από τα μακρινά αντικείμενα του υποβάθρου, να δείχνει σαν να έχει προέλθει από πολλές διαφορετικές πηγές.

Όπως και με τη δυναμική των γαλαξιών η γενική σχετικότητα είναι ανίκανη να υπολογίσει τη δύναμη μερικών βαρυτικών φακών, χωρίς την προσθήκη των κατάλληλων κατανομών της σκοτεινής ύλης στον χώρο, "με το χέρι" ώστε να ερμηνεύονται τα δεδομένα.

Έχοντας η αρχική θεωρία MOND σαν ρίζα την νευτώνεια μηχανική, δεν θα είχε καμία ελπίδα να εξηγήσει την κάμψη του φωτός. Επιπλέον, ο απλός τύπος του Milgrom παραβίαζε διάφορους βασικούς νόμους της φυσικής, όπως η διατήρηση της ορμής. Αυτό προέτρεψε τους θεωρητικούς στη δεκαετία του '80 και τη δεκαετία του '90, ειδικότερα το Milgrom, το Robert Sanders του πανεπιστημίου του Γκρόνινγκεν στην Ολλανδία και τον Jacob Bekenstein στο εβραϊκό πανεπιστήμιο της Ιερουσαλήμ, να καταπιαστούν με τη μετατροπή της MOND σε μια πλήρως αναπτυγμένη θεωρία. Έτσι το 2004 ο Bekenstein δημοσίευσε  μια σχετικιστική έκδοση της θεωρίας, που ονομάστηκε Θεωρία Διανυσματικού Βαθμωτού Τένσορα, ή TeVeS. Είναι η θεωρία που έχει κάνει πολλούς αστρονόμους, αστροφυσικούς και κοσμολόγους να αρχίσουν να αντιμετωπίζουν τις εναλλακτικές θεωρίες της βαρύτητας σοβαρότερα.

Γεωμετρική βαρύτητα

Για να καταλάβουμε τη TeVeS - ή οποιαδήποτε άλλη εναλλακτική θεωρία της βαρύτητας - πρέπει να ερευνήσουμε λίγο βαθύτερο στη θεωρία του Αϊνστάιν. Η γενική σχετικότητα είναι μια γεωμετρική θεωρία της βαρύτητας, που σημαίνει ότι το βαρυτικό πεδίο προκύπτει από τη γεωμετρία ή την κυρτότητα του χωρόχρονου. Από μαθηματική άποψη, η κυρτότητα περιγράφεται από ένα συμμετρικό τένσορα που λέγεται "μετρική", ο οποίος, στη θεωρία του Αϊνστάιν, καθορίζεται πλήρως από την τοπική ύλη. Αν και αυτός είναι ο απλούστερος τρόπος να διατυπώσει κάποιος μια γεωμετρική θεωρία της βαρύτητας, δεν υπάρχει τίποτα για να μας σταματήσει να προσθέσουμε κι άλλους όρους στη "δράση" της θεωρίας, που κυβερνά τη δυναμική της μετρικής και επομένως του τρόπου που κινούνται τα αντικείμενα.

Αυτό είναι ακριβώς που έκανε ο Bekenstein, με την εισαγωγή μιας δεύτερης μετρικής στη θεωρία TeVeS που τεντώνει το χωρόχρονο πιο σφαιρικά. Προκειμένου να συνδεθούν οι δύο μετρικές για να παραγάγει τη φυσική μετρική που παίρνουμε από τα πραγματικά αντικείμενα, ο Bekenstein πρόσθεσε δύο πρόσθετους όρους στη TeVeS.
Ο πρώτος όρος που πρόσθεσε ήταν ένα βαθμωτό πεδίο, ο οποίος αλλάζει τη δύναμη της βαρύτητας από τόπο σε τόπο, και ο δεύτερος ήταν ένα διανυσματικό πεδίο που εξασφαλίζει ότι το φως επηρεάζεται επίσης από τη μετρική.

Η συνδυασμένη επίδραση της αντικατάστασης της δράσης του Αϊνστάιν με έναν βαθμωτό, διανυσματικό και τανυστικό πεδίο σημαίνει ότι η TeVeS έχει όλα τα επιθυμητά χαρακτηριστικά γνωρίσματα μιας εναλλακτικής θεωρίας της βαρύτητας: Γίνεται η θεωρία του Αϊνστάιν για τις υψηλές ταχύτητες και τις μεγάλες επιταχύνσεις (με αυτόν τον τρόπο υπολογίζει το βαυτικό εστιασμό). Γίνεται η νευτώνεια βαρύτητα για χαμηλές ταχύτητες και μικρές επιταχύνσεις (όπως αυτές στη γη) και μετατρέπεται στη θεωρία MOND όταν οι επιταχύνσεις είναι ακόμα μικρότερες (με αυτόν τον τρόπο προβλέπει τις παρατηρηθείσες καμπύλες της περιστροφής των γαλαξιών. Όντας πλήρως σχετικιστική, η TeVeS μπορεί επίσης να κάνει προβλέψεις για το σύμπαν στις μεγαλύτερες κλίμακες.

"Υπήρχαν κι άλλες θεωρίες όπως η MOND πριν από τη TeVeS που ήταν σχετικιστικές, αλλά όλες τους είχαν κάποιο είδος προβλήματος όπως η παραβίαση του αίτιου και αιτιατού", λέει ο Κωνσταντίνος Σκορδής του Ιδρύματος Perimeter στο Οντάριο του Καναδά, ο οποίος συμμετείχε στη συνεδρίαση του Εδιμβούργου. "Η TeVeS μας έδειξε ότι θα μπορούσε να ταιριάξει με τις κοσμολογικές παρατηρήσεις χωρίς σκοτεινή ύλη αντικαθιστώντας τη γενική σχετικότητα με μια εναλλακτική θεωρία βαρύτητας".

Η κοσμολογία είναι ίσως η πιο δύσκολη πρόκληση για τις εναλλακτικές θεωρίες βαρύτητας. Ειδικότερα, μια θεωρία της βαρύτητας πρέπει να εξηγήσει με ποιο τρόπο  σχηματίστηκαν δομές, όπως είναι οι γαλαξίες και τα σμήνη των γαλαξιών. Και αυτό σημαίνει ότι πρέπει σωστά να περιγράψει το κοσμικό υπόβαθρο μικροκυμάτων - την αρχαία ακτινοβολία που προέρχεται από την περίοδο  περίπου 380.000 έτη μετά από τη Μεγάλη Έκρηξη και τότε η αρχέγονη σούπα των δομικών συστατικών της ύλης ξανάγινε διαπερατή στο φως. Στη φάση αυτή είχαμε τον επανασυνδυασμό των δομικών συστατικών (τα πρωτόνια με τα ηλεκτρόνια) σε άτομα, τα οποία δεν σκεδάζουν και απορροφούν τόσο έντονα το φως.

Πριν από τον επανασυνδυασμό το σύμπαν ήταν ένα καυτό, πυκνό πλάσμα στο οποίο τα φωτόνια διασκορπίζονταν συνεχώς από τα φορτισμένα ιόντα. Αλλά μόλις το σύμπαν ψύχθηκε αρκετά μπόρεσαν να σχηματιστούν ουδέτερα άτομα, και τα φωτόνια ήταν σε θέση να ταξιδέψουν ανεμπόδιστο μέσα στο διάστημα. Με αυτόν τον τρόπο μετέφεραν ζωτικής σημασίας πληροφορίες για τις μεταβολές της πυκνότητας στο αρχέγονο πλάσμα. Σήμερα, αυτές οι μεταβολές - ανωμαλίες, που θα είχαν αναγκάσει την ύλη να συγκεντρωθεί μαζί σε μερικές περιοχές περισσότερο από κάποιες άλλες (σαν μια μορφή ακουστικών ανωμαλιών), εμφανίζονται σαν θερμά και ψυχρά 'μπαλώματα' στην κατανομή της μικροκυματικής ακτινοβολίας υποβάθρου που είναι προέρχεται από τις εσχατιές του σύμπαντος.

Η γενική σχετικότητα περιγράφει πολύ καλά πώς εξελίχθηκε η κοσμική δομή από αυτές τις ακουστικές ταλαντώσεις, κατά την εποχή του επανασυνδυασμού και μετέπειτα, αλλά μόνο εάν υποθέσουμε ότι το σύμπαν περιλαμβάνει τουλάχιστον τόση σκοτεινή ύλη όση και βαρυονική ύλη. Χωρίς σκοτεινή ύλη οι διακυμάνσεις της πυκνότητας θα είχαν 'λειανθεί' από τις συγκρούσεις με τα φωτόνια πολύ πριν να έχουν μια ευκαιρία να δημιουργήσουν τους σπόρους των γαλαξιών.

"Οι άνθρωποι λανθασμένα λένε ότι επειδή οι τροποποιημένες θεωρίες της βαρύτητας δεν περιέχουν καμιά σκοτεινή ύλη, δεν υπάρχει καμία κατευθυντήρια δύναμη για να στηρίξει τις διακυμάνσεις μέσω του επανασυνδυασμού", εξηγεί ο Pedro Ferreira του πανεπιστημίου της Οξφόρδης, που εργάζεται με το Σκορδή για να υπολογίσει τις κοσμολογικές επιπτώσεις της θεωρίας TeVeS. "Αλλά τα πρόσθετα πεδία στην TeVeS, παραδείγματος χάριν, μπορούν να έχουν την ίδια επίδραση με τη σκοτεινή ύλη παρόλο που έχουν μια ενεργειακή πυκνότητα που είναι πολλές τάξεις μεγέθους χαμηλότερη".

Προκειμένου να φανεί πώς τα καταφέρνει η TeVeS ως προς τα πραγματικά κοσμολογικά στοιχεία, ο Σκορδής και ο Ferreira επέκτειναν τη θεωρία σε γραμμική τάξη και τότε μελέτησαν τι συνέβη όταν τα βαθμωτά, διανυσματικά και τανυστικά πεδία υπόκειντο σε μικρές διαταραχές. Αυτό τους βοήθησε να περιγράψουν σωστά τη κατανομή των διακυμάνσεων της θερμοκρασίας στο Κοσμικό Υπόβαθρο Μικροκυμάτων ως συνάρτηση της γωνιακής κλίμακας, η οποία αποτελείται από μια σειρά διακριτών ακουστικών συχνοτήτων. Μέχρι τώρα, η TeVeS είναι η μόνη εναλλακτική θεωρία της βαρύτητας που έχει κάνει τέτοιες λεπτομερείς προβλέψεις, αλλά ο Ferreira αναγκάζει τον καθένα που εργάζεται πάνω στις εναλλακτικές θεωρίες βαρύτητας να κινηθεί πέρα από τις καμπύλες της περιστροφής των γαλαξιών και να ασκηθεί σε ζητήματα προβλέψεων επί της μικροκυματικής ακτινοβολίας.

Ένα τέτοιο άτομο είναι και ο John Moffat του Ιδρύματος Perimeter, το οποίο συνεργάζεται με τον Joel Brownstein σε μια θεωρία γνωστή σαν διανυσματική βαρύτητα  βαθμωτού τένσορα (STVG). Όπως και στην TeVeS, μαζί με τα βαθμωτά πεδία εισάγεται και ένα διανυσματικό πεδίο στη γενική σχετικότητα, στη STVG το διανυσματικό πεδίο αντιστοιχεί σε μια νέα φυσική οντότητα που ο Moffat ονόμασε "πεδίο phion". Αν δε υποβληθεί σε μια διαδικασία, γνωστή ως συμπύκνωση Μπόζε-Αϊνστάιν, το πεδίο phion μπορεί να παραγάγει ένα υπερρευστό που αναγκάζει τη βαρύτητα να είναι ισχυρή στο κέντρο των γαλαξιών και σε κοσμολογικές κλίμακες,  στις ενδιάμεσες όμως κλίμακες να είναι παρόμοια με την καθιερωμένη βαρύτητα του Νεύτωνα και Αϊνστάιν.

Επιπρόσθετα για να ταιριάζει πολύ καλά με τα στοιχεία των γαλαξιών, ο Moffat υποστηρίζει ότι η θεωρία του μπορεί επίσης να εξηγήσει τις δύστροπες τροχιές των διαστημικών σκαφών Pioneer. Τα δύο σκάφη που ξεκίνησαν το ταξίδι τους στη δεκαετία του '70, ενώ τώρα βρίσκονται στο απώτατο όριο του ηλιακού συστήματος, εμφάνισαν μια ανώμαλη επιτάχυνση προς το εσωτερικό του ηλιακού συστήματος. Αν και αυτό μπορεί να έχει απλά μια τεχνική εξήγηση, δίνει την ευκαιρία για μια κλασική δοκιμή για τις εναλλακτικές θεωρίες της βαρύτητας στις κλίμακες του ηλιακού συστήματος.

Σκοτεινή ενέργεια

Ενώ ο κύριος στόχος της STVG και άλλων εναλλακτικών θεωριών της βαρύτητας είναι η περιγραφή του σύμπαντος χωρίς σκοτεινή ύλη , θα ήταν ωραίο εάν τέτοιες θεωρίες θα μπορούσαν να ξεφορτωθούν συγχρόνως και τη σκοτεινή ενέργεια. Η γενική σχετικότητα έχει μια πολυτάραχη ιστορία σε αυτό το τομέα. Ο Αϊνστάιν εισήγαγε αρχικά έναν σταθερό όρο στις εξισώσεις του για να συμφωνεί η θεωρία με το τότε παρατηρούμενο στατικό σύμπαν, ενώ το αφαίρεσε μερικά έτη αργότερα όταν ανακάλυψε ο Hubble ότι ο σύμπαν επεκτείνεται. Ο Αϊνστάιν αποκάλεσε αυτή την κοσμολογική σταθερά σαν το "μεγαλύτερο σφάλμα του". Αλλά αν ήταν εδώ - γύρω στο 1997 - για να δει τα στοιχεία από τις σουπερνόβες, που αποκάλυψαν ότι η επέκταση του σύμπαντος ήταν στην πράξη επιταχυνόμενη, θα έπρεπε να ξαναβάλει μέσα πάλι την κοσμολογική σταθερά του - μόνο που θα είχε υποχρέωση να μειώσει την τιμή της περίπου κατά 120 τάξεις μεγέθους!

Μια άλλη θεωρία που αντιμετωπίζει την κοσμική διαστολή στη ρίζα της είναι η "σύμμορφη βαρύτητα" (conformal gravity). Αναπτύχθηκε από τον Philip Mannheim του πανεπιστημίου του Κοννέκτικατ, και είναι ίσως η ριζοσπαστικότερη όλων των εναλλακτικών προτάσεων βαρύτητας. "Οι θεωρίες όπως η TeVeS ή η STVG είναι αυτό που ονομάζω θεωρίες "Αϊνστάιν-συν", λέει ο Μανχάιμ. "Έχουν ως σκοπό να αναχθούν στις εξισώσεις του Αϊνστάιν στις κλίμακες του ηλιακού συστήματος, ενώ αλλάζουν στις γαλαξιακές και μεγαλύτερες αποστάσεις. Αλλά ενώ αποφεύγουν την ανάγκη να υπάρχει οποιαδήποτε σκοτεινή ύλη με αρκετή αποτελεσματικότητα, καμιά τους δεν είναι σε θέση να εξετάσει το πρόβλημα της κοσμολογικής σταθεράς".

Η θεωρία του Μανχάιμ είναι ακόμα μια γεωμετρική θεωρία της βαρύτητας, αλλά αντί να βελτιώνει τη γενική σχετικότητα αντικαθιστά τη θεωρία αυτή με μία άλλη βασισμένη σε ένα τετραδιάστατο "τένσορα Weyl". Κι ενώ τα μαθηματικά της σύμμορφης βαρύτητας είναι σύνθετα, η θεωρία αυτή έχει μια ιδιαίτερα επιθυμητή ιδιότητα:  η βαρύτητα να είναι ελκτική στις τοπικές κλίμακες, αλλά απωστική στις κοσμολογικές κλίμακες. Υπό αυτήν τη μορφή, η θεωρία του Μανχάιμ μπορεί να κάνει εκτιμήσεις και για τα στοιχεία του επιταχυνόμενου σύμπαντος και τις καμπύλες περιστροφής των γαλαξιών, χωρίς να απαιτείται σκοτεινή ύλη, σκοτεινή ενέργεια ή οποιαδήποτε "παραποίηση" των παραμέτρων. Όπως και στην STVG, εντούτοις, πρέπει ακόμα να επιλυθούν οι πλήρεις κοσμολογικές επιπτώσεις της σύμμορφης βαρύτητας.

Αλλαγή παραδείγματος

Ο καθένας που δουλεύει στις εναλλακτικές θεωρίες της βαρύτητας πρέπει να δικαιολογήσει τις ιδέες τους στους κοσμολόγους, οι περισσότεροι από τους οποίους απλά δεν βλέπουν γιατί πρέπει να υπάρχουν εναλλακτικές λύσεις στη σκοτεινή ύλη. "Η γενική σχετικότητα και η σκοτεινή ύλη είναι το καθιερωμένο παράδειγμα, και έως ότου δούμε κάτι ασυμβίβαστο με αυτή τη θεωρία, δεν υπάρχει κανένας λόγος να κοιτάξουμε αλλού," επιμένει ο Robert Caldwell του Κολεγίου Dartmouth στις ΗΠΑ.

Μερικοί αστρονόμοι, όπως ο John Peacock του Βασιλικού Παρατηρητήριου, μας υπενθυμίζουν επίσης ότι η καθιερωμένη βαρύτητα των Νεύτωνα- Αϊνστάιν λειτουργεί πολύ καλά από τις κλίμακες του χιλιοστού έως την τροχιά του Πλούτωνα, έτσι οι άνθρωποι πρέπει να είναι προσεκτικοί πριν την απορρίψουν "βασισμένοι σε μπερδεμένη αστροφυσική, όπως είναι ο σχηματισμός των γαλαξιών".

Αλλά πολλοί στο στρατόπεδο των εναλλακτικών θεωριών της βαρύτητας σκέφτονται ότι η ιδέα της σκοτεινής ύλης και της σκοτεινής ενέργειας έχει ενσωματωθεί τόσο στο καθιερωμένο μας πρότυπο της κοσμολογίας, ώστε οι άνθρωποι δεν εξετάζουν πλέον το πρόβλημα επιστημονικά. Σύμφωνα με το Stacy McGaugh του πανεπιστημίου του Μέρυλαντ, που έγινε δύσπιστος για την σκοτεινή ύλη στα μέσα της δεκαετίας του '90, ο καλύτερος τρόπος για να αντιμετωπίσουμε το πρόβλημα είναι να εργαστούμε πραγματικά με τα στοιχεία των γαλαξιών. "Εάν όλοι οι διάσημοι κοσμολόγοι που υπερασπίζονται αυτήν την περίοδο το καθιερωμένο μοντέλο είχαν καταψυχθεί στη δεκαετία του '70 ή στη δεκαετία του '80 και τους ξυπνούσατε σήμερα λέγοντας τους ότι η σκοτεινή ύλη και η σκοτεινή ενέργεια είναι η απάντηση, κανένας από αυτούς δεν θα το δεχόταν", αστειεύεται.

Αλλά το στρατόπεδο των εναλλακτικών θεωριών της βαρύτητας έχει επίσης και τα δικά του προβλήματα. Παραδείγματος χάριν, ενώ η TeVeS είναι η πιο προηγμένη θεωρία, μερικοί ερευνητές - ειδικότερα οι Moffat και Mannheim - επισημαίνουν ότι η θεωρία περιέχει προτιμητέα συστήματα αναφοράς παραβιάζοντας έτσι τις βασικές αρχές της σχετικότητας.

Κατόπιν υπάρχει το ζήτημα της αισθητικής. Για σκεφτείτε να προσθέτουμε πολυώνυμα ή άλλους όρους στις εξισώσεις της καθ' όλα αξιοσέβαστης γενικής σχετικότητας  για να ταιριάξουν με τα στοιχεία των γαλαξιών. Τέλος, η σκοτεινή ύλη θα μπορούσε να μας αποκαλυφθεί και αύριο σε κάποια από τις πολλές  αναζητήσεις της σε όλο τον κόσμο, αφιερωμένες σ' αυτήν.

Αλλά εκτός από το πλούσιο έδαφος για τη θεωρητική φυσική, η μετακίνηση προς την εναλλακτική βαρύτητα θα αποδειχθεί αναμφίβολα εξίσου εύφορη για τους κοινωνιολόγους της επιστήμης. "Είναι μια δυναμική αλλαγή παραδείγματος στη φυσική", λέει ο Moffat. "Θα αντιμετωπίσετε πάντα την αντίθεση όταν προσπαθείτε να τροποποιήσετε μια καλά αποδεκτή θεωρία όπως η γενική σχετικότητα."

Είναι ακόμα πάρα πολύ νωρίς για να πούμε εάν είμαστε μάρτυρες πράγματι μιας τέτοιας επιστημονικής επανάστασης. Αλλά στο μεταξύ, πρέπει να λάβουμε υπόψη ότι μερικές από τις πιο άγριες αντιστάσεις στις εναλλακτικές θεωρίες της βαρύτητας κατευθύνθηκαν κάποτε εναντίον του Αϊνστάιν και του Νεύτωνα.

Πηγή: Physics World