Η θεωρία MOND ανατρέπει τη θεωρία του Νεύτωνα και Αϊνστάιν

Άρθρο, Μάιος 2005

Ένα μεγάλο τμήμα του Κόσμου, για την ακρίβεια το 23%,  φαίνεται να αποτελείται από ένα υλικό που δεν μπορούμε να δούμε. Η κυρίαρχη κοσμολογική θεωρία λέει ότι αυτή η αόρατη "σκοτεινή ύλη" κρύβεται στις καρδιές των γαλαξιών, και έτσι η επιπρόσθετη βαρύτητα της είναι αυτή που συγκρατεί τα πιο ακραία αστέρια από το να διαφύγουν από τους γαλαξίες στους οποίους βρίσκονται και γενικά κάνει τα σμήνη των γαλαξιών να φαίνονται όπως είναι.

Η ιστορία αυτής κρατά από το 1933, όταν ο ελβετός αστρονόμος Fritz Zwicky παρατήρησε ότι οι γαλαξίες σε ορισμένα σμήνη κινούνταν τόσο γρήγορα που τα σμήνη δεν θα πρέπει να είναι σε θέση να τους συγκρατήσουν. Για να το εξηγήσει ο Zwicky πρότεινε ότι υπάρχει μια πρόσθετη απαρατήρητη ύλη στα σμήνη που έδινε την απαραίτητη βαρυτική έλξη. Και την ονόμασε σκοτεινή ύλη.

Μέχρι τη δεκαετία του '70, οι αστρονόμοι συνειδητοποίησαν ότι υπήρχε ένα παρόμοιο πρόβλημα και για τους μεμονωμένους γαλαξίες: περιστρέφονταν τόσο γρήγορα που θα έπρεπε να σχίζονται. Κι εδώ, επίσης, επικαλέσθηκαν σαν αιτία της διατήρησης των γαλαξιών την σκοτεινή ύλη. Τελικά, το 1978 εισήχθη στους αστρονομικούς κύκλους επίσημα η θεωρία της σκοτεινής ύλης.

Έως τώρα κανείς δεν έχει λύσει το μυστήριο της σκοτεινής ύλης, αλλά πρέπει να βρίσκεται μέσα στους γαλαξίες αφού όλα τα ορατά αστέρια, οι πλανήτες και άλλα σώματα δεν έχουν αρκετή μάζα για να εξηγήσουν τις ουράνιες κινήσεις που παρατηρούμε, σύμφωνα με τη νευτώνεια βαρύτητα.

Αλλά τι γίνεται εάν ο Νεύτωνας έκανε λάθος; Είναι ένα μακροχρόνιο ζήτημα εάν ο νόμος της βαρύτητάς του - που θεωρούμε πως εξηγεί όλα τα ζητήματα, από την πτώση των μήλων έως την περιστροφή των γαλαξιών - μπορεί πραγματικά να έχει ελάττωμα. Αυτός είναι και ο ισχυρισμός ενός αυξανόμενου αριθμού φυσικών που υποστηρίζουν μια αμφισβητούμενη εναλλακτική θεωρία, την Τροποποιημένη Νευτώνεια Δυναμική, ή MOND.

Η θεωρία, που έχει υπερνικήσει πρόσφατα μερικά σοβαρά προβλήματα που την βασάνιζαν στην αρχή της - όπως το πώς μπορεί να ταιριάξει με τη γενική σχετικότητα - τώρα δείχνει ικανή να κάνει εκπληκτικές προβλέψεις για την εξέλιξη του σύμπαντος. Ξαφνικά, οι άνθρωποι που συνήθως χλεύαζαν τη νέα θεωρία MOND,  άρχισαν να την κοιτάζουν πιο ζεστά στις συζητήσεις τους.

Εάν η MOND είναι τελικά σωστή, θα αλλάξει τα πάντα από την άποψη της βαρύτητας και της σκοτεινής ύλης, οι οποίες υποστηρίζουν μαζί σχεδόν όλα όσα εμείς γνωρίζουμε για την αστρονομία.

Αυτό που έκανε τους φυσικούς να πάρουν σοβαρά τη MOND, ήταν μια επιστημονική δημοσίευση του 2004 από τον Jacob Bekenstein του Εβραϊκού Πανεπιστημίου της Ιερουσαλήμ. Στην εργασία του, που ήταν καρπός 20 χρόνων θεωρητικής αναζήτησης, φαίνεται να συμφιλίωνε τη MOND με τη σχετικότητα και μάλιστα έδειξε να αντέχει την πειραματική δοκιμή. Ενώ ήδη έχει πείσει διάφορες άλλες ομάδες να δουλέψουν πάνω στη θεωρία του και να εξετάσουν τις προβλέψεις της.

Τα αποτελέσματά της εργασίας του Bekenstein ήταν βαθύτερα. Είναι μια θεωρία της βαρύτητας που διατηρεί τις καλύτερες όψεις της σχετικότητας, αλλά με τροποποιήσεις που θα μπορούσαν να καταστήσουν τη σκοτεινή ύλη ξεπερασμένη.

Το 1981, ο φυσικός Mordehai Milgrom έπεσε επάνω στην εναλλακτική θεωρία MOND. Ήταν αρχικά στο Πανεπιστήμιο του Princeton αλλά σύντομα μετακινήθηκε προς το Ίδρυμα Weizmann κοντά στο Τελ Αβίβ, όπου μένει μέχρι σήμερα. Μάλιστα όταν πήγε στη νέα του θέση επισκέφτηκε τον Bekenstein, ο οποίος ήταν γνωστός καλύτερα για την εργασία του πάνω στην θερμοδυναμική των μαύρων οπών.

Ο Milgrom του ανέφερε την ιδέα του ότι οι γαλαξίες και τα σμήνη των γαλαξιών μπορεί να παραμείνουν άθικτα, όχι λόγω της απαρατήρητης σκοτεινής ύλης, αλλά εξ αιτίας της ίδιας της βαρύτητας, που δεν μειώνεται με την απόσταση τόσο γρήγορα όσο μας λέει ο νόμος του Νεύτωνα ότι κάνει.

Αμέσως ο Bekenstein άρχισε να δουλεύει με τον Milgrom πάνω στη θεωρία του. Το όνομα MOND αντιπαραβάλλει τη θεωρία τους με τη νευτώνεια βαρύτητα, ακόμα κι αν αυτή είχε αντικατασταθεί από τη γενική σχετικότητα του Einstein στις αρχές του 20ού αιώνα. Η θεωρία αυτή προκαλεί αίσθηση γιατί οι αστρονόμοι ακόμα χρησιμοποιούν τη νευτώνεια θεωρία της βαρύτητας για τις περισσότερες καταστάσεις. Εντούτοις, οι Milgrom και Bekenstein αντιμετώπισαν με αποτελεσματικό τρόπο και τη σχετικότητα. Κι αυτό επειδή η MOND θα έπρεπε να είναι διαφορετική αρκετά από τη σχετικότητα για να γίνει η βαρύτητα καταφανώς ισχυρότερη στα περίχωρα των γαλαξιών, όμως όχι τόσο διαφορετική, που να ερχόταν σε αντίθεση με τις πτυχές της σχετικότητας που ελέγχθηκαν στις παρατηρήσεις που φτάνουν πίσω στο 1919.

Το πρόβλημα της σχετικότητας

Ο Milgrom δημοσίευσε τη θεωρία του το 1983, αλλά κανένας θα μπορούσε να δει πώς να τη συμβιβάσει με το καλώς δοκιμασμένο μοντέλο του Einstein. Επίσης, φάνηκε πάρα πολύ ειδική δεδομένου ότι απλά τροποποιούσε τη βαρύτητα κάτω από μια ορισμένη δύναμη, και με αυτόν τον τρόπο άλλαζε τη συμπεριφορά της στις μεγάλες αποστάσεις. Έτσι το 1984, οι Milgrom και Bekenstein δημοσίευσαν μια άλλη εκδοχή που προσπαθούσε να εξηγήσει τη MOND ως τροποποιημένη εκδοχή της γενικής σχετικότητας. Αυτοί πήραν τη σχετικότητα και πρόσθεσαν έναν δεύτερο πεδίο βαρύτητας για να προβλέπει μια πρόσθετη βαρυτική έλξη, απαραίτητη για να συνεχίσουν να περιστρέφονται σταθερά οι γαλαξίες.

Εντούτοις υπήρχε μια εμπλοκή στη νέα θεωρία: οι διαταραχές σε αυτό το πρόσθετο πεδίο θα ταξίδευαν γρηγορότερα από την ταχύτητα του φωτός, δημιουργώντας μια διακοπή του αιτίου και του αιτιατού. Ούτε ο Milgrom ούτε ο Bekenstein ήξεραν πώς να την σταθεροποιήσουν, κι έτσι και ο δύο σταμάτησαν την αναζήτηση προς στιγμήν.

Δέκα χρόνια μετά τα πράγματα είχαν γίνει χειρότερα, με την ανακάλυψη νέων στοιχείων για την σκοτεινή ύλη. Οι αστρονόμοι εξέταζαν τον τρόπο που η βαρύτητα κάμπτει το φως καθώς περνά από τους γαλαξίες, ένα φαινόμενο που το ονόμασαν βαρυτικό εστιασμό. Κι αυτό που είδαν ήταν ότι ο βαρυτικός εστιασμός ήταν πολύ ισχυρότερος από όσο αν θεωρούσαμε ότι οι γαλαξίες είχαν τη συνηθισμένη μάζα, αλλά και σύμφωνη με αυτό που προβλέπει η γενική σχετικότητα για γαλαξίες γεμάτους με την σκοτεινή ύλη. Είτε λοιπόν οι γαλαξίες στην πραγματικότητα είχαν κρυμμένη και αόρατη σκοτεινή μάζα, είτε η MOND θα έπρεπε να προβλέπει μια επιπλέον κάμψη του φωτός.

Ο Bekenstein όμως δεν σταμάτησε. Το 1994, αυτός και ο Robert Sanders του πανεπιστημίου του Γκρόνινγκεν στην Ολλανδία απέδειξαν ότι για να εξηγηθούν όλα τα παραπάνω φαινόμενα ήταν ανάγκη η σχετικιστική έκδοση της MOND να περιέχει τουλάχιστον τρία πεδία.

Παγωμένα πεδία

Γύρω στο 1997, ο Sanders δημοσίευσε μια έκδοση της MOND με τρία πεδία. Το τρίτο πεδίο παρείχε ένα πρόσθετο βαρυτικό εστιασμό και ξεφορτώθηκε επίσης τα κύματα που διαδίδονταν πιο γρήγορα από το φως, αλλά και πάλι υπήρξε μια κρυμμένη δυσκολία. Το πεδίο ήταν ένα διανυσματικό πεδίο, το οποίο σε κάθε σημείο στο διάστημα έχει ένα μέτρο και μια κατεύθυνση Για να πάρει τα σωστά  αποτελέσματα εστιασμού, ο Sanders πάγωσε το διανυσματικό πεδίο έτσι ώστε να έδειχνε πάντα σε μια ορισμένη κατεύθυνση: την κατεύθυνση του χρόνου.

Στον κόσμο των τεσσάρων διαστάσεων της σχετικότητας, ο χρόνος είναι απλώς μια άλλη κατεύθυνση. Το παγωμένο πεδίο παραβίαζε την αρχή της συμμετρίας ότι ο χωρόχρονος δεν έχει καμιά προτιμητέα κατεύθυνση.

Έτσι, μέχρι το 2003 δεν προχωρούσε η θεωρία, όταν τελικά ο Bekenstein βρήκε μια λύση στο πρόβλημα. Να ξεπαγώσει την κατεύθυνση του διανυσματικού πεδίου στη θεωρία του Sanders, αλλά να έχει τη σωστή κατεύθυνση. Κι αυτό δεν αντίκειται στους κανόνες της σχετικότητας για το πεδίο, εφ' όσον δεν κλειδώνεται αυτή η συμπεριφορά εκ των προτέρων.

Το διανυσματικό πεδίο του Bekenstein είναι ελεύθερο να δείχνει σε οποιαδήποτε κατεύθυνση, αλλά αυτό θα τείνει να ευθυγραμμιστεί στη διεύθυνση του χρόνου μέσω των αλληλεπιδράσεεων του με τα άλλα πεδία.  .

Εδώ επιτέλους έφτασε ο Bekenstein σε μια έκδοση της θεωρίας MOND σε  αρμονία με τα καθιερωμένα τμήματα σχετικότητας, ακόμα όμως διαφορετική που να καθιστά περιττή την σκοτεινή ύλη. Ο Bekenstein την ονόμασε Θεωρία Διανυσματικού Βαθμωτού τένσορα, ή TeVeS, από τα τρία είδη πεδίων που υιοθέτησε. Το πεδίο τένσορας, από τη γενική σχετικότητα, περιγράφει τη συνηθισμένη βαρύτητα που προκύπτει από τον καμπύλο χωρόχρονο. Το βαθμωτό πεδίο δίνει στη βαρύτητα την πρόσθετη ισχύ στα περίχωρα των γαλαξιών. Το διανυσματικό πεδίο ενισχύει τον βαρυτικό εστιασμό. Η θεωρία τελικά είχε μια σχετικιστική άποψη

"Κάποτε η MOND ήταν για μένα μια λανθασμένη θεωρία", λέει ο αστροφυσικός Pedro Ferreira του πανεπιστημίου της Οξφόρδης. "Όταν όμως απέκτησε ένα σχετικιστικό πλαίσιο με την εργασία του Bekenstein, τότε κάτι άλλαξε στο μυαλό μου". 

Μάλιστα τώρα διάφορες ομάδες χρησιμοποιούν τη παραπάνω θεωρία για να κάνουν κοσμολογικές προβλέψεις. Ο Ferreira εργάζεται δε πάνω σε μια έρευνα, με την καθοδήγηση του Κωνσταντίνου Σκορδή του Perimeter Ινστιτούτου στο Βατερλώ του Οντάριο, για να δει πώς γίνεται η μεγάλης κλίμακας δομή του σύμπαντος κάτω από τη θεωρία TeVeS.

Η θεωρία αυτή του Bekenstein, λύνει και ένα θεμελιώδες πρόβλημα στην κοσμολογία για την ύλη των γαλαξιών, που συμπεριλαμβάνει και την σκοτεινή ύλη. Όπως γνωρίζουμε οι γαλαξίες θεωρούνται ότι έχουν διαμορφωθεί από σχετικά πυκνούς θύλακες ύλης αμέσως μετά το big bang. Η καθιερωμένη εξήγηση για το τι κράτησε τους θύλακες μαζί για πολύ χρόνο ήταν η σκοτεινή ύλη. Όμως στη θεωρία του Bekenstein, εντούτοις, οι θύλακες της ύλης επιζούν ακόμη και χωρίς τη σκοτεινή ύλη.

Τέλος, το 2005 μια άλλη ομάδα στο Πανεπιστήμιο του Groningen στην Ολλανδία, κάτω από τον Robert Sanders, προχώρησε τη θεωρία του Bekenstein αλλά με δύο βαθμωτά πεδία που αλλάζουν τη βαρύτητα αντί για ένα πεδίο. Οι κυματισμοί στο δεύτερο πεδίο προκαλούν ένα είδος σκοτεινής ύλης

Πειραματική επιβεβαίωση

Για μια πειραματική δοκιμασία της θεωρίας του Bekenstein, οι αστροφυσικοί - σαν τον Κωνσταντίνο Σκορδή - εξέτασαν το 2005 το Κοσμικό Υπόβαθρο Μικροκυμάτων, την ακτινοβολία που είχε εκπεμφθεί από την καυτή ύλη, περίπου, σε εκείνη την εποχή στην ιστορία του σύμπαντος. Μπορούμε να ανιχνεύσουμε αυτήν την εξασθενημένη ακτινοβολία σε όλο τον ουρανό, αλλά δεν είναι ομοιόμορφη, μερικές περιοχές της είναι ελαφρώς φωτεινότερες από κάποιες άλλες, και αυτές οι μεταβολές αντιστοιχούν εκεί όπου τα κύματα κάνουν την ύλη σε μερικές περιοχές πυκνότερη ή αραιότερη. Σύμφωνα με τα πειράματα, η σχετικιστική θεωρία της MOND δίνει αποτελέσματα που συμφωνούν πολύ καλά με τις  μετρήσεις του Μικροκυματικού Κοσμικού Υποβάθρου στα χαμηλής συχνότητας κύματα. Βεβαίως υπάρχει μια διαφορά στα υψηλής συχνότητας κύματα (δίνει η θεωρία λιγότερα κύματα). Οι αστροφυσικοί πιστεύουν  ότι αυτό ίσως οφείλεται στις μη ακριβείς μετρήσεις και έτσι δεν είναι σαφές ότι η θεωρία του Bekenstein είναι σε διαφωνία με αυτές. Κάποιες μελλοντικές αποστολές όπως είναι το διαστημικό σκάφος Planck της ESA, που σχεδιάζεται να πετάξει το 2007, θα είναι σε θέση να μετρήσει το μικροκυματικό υπόβαθρο με πολύ υψηλή ακρίβεια και έτσι πρέπει να λυθεί η ασάφεια.

Οι σκεπτικιστές όμως υποστηρίζουν ότι είναι πολύ δύσκολο να αλλάξει κάποιος τις ιδέες των φυσικών για τη νευτώνεια βαρύτητα και την ύπαρξη της σκοτεινής ύλης. Και για την ανακάλυψη της τελευταίας σχεδιάζονται αρκετά πειράματα. Μόνο στις ΗΠΑ τρέχουν τώρα ή ετοιμάζονται για την επόμενη πενταετία περίπου 20 πειράματα, που θέλουν να ανιχνεύσουν σωματίδια σκοτεινής ύλης. Μια ομάδα δουλεύει το πρόγραμμα Cryogenic Dark Matter Search II, που ψάχνει για μικρούς κυματισμούς σε κρυστάλλους πυριτίου από την αλληλεπίδραση τους με σωματίδια σκοτεινής ύλης. Αν σε κάποιο πείραμα από αυτά ανιχνευτεί άμεσα σκοτεινή ύλη σε ικανοποιητικό αριθμό, τότε καταρρέει η νέα θεωρία MOND. Έως τότε η MOND θα παραμένει ένα αγκάθι για την καθιερωμένη αστροφυσική.

Η MOND είναι δύσκολο να επιβεβαιωθεί

Αλλά που μπορούμε να ψάξουμε για μια Τροποποιημένη Νευτώνεια Δυναμική (MOND);

Ακόμα και στο ηλιακό σύστημά μας. Από την αρχή της δεκαετίας του '80, τα διαστημόπλοια Pioneer 10 και 11 της NASA έχουν μετακομίσει στο εξωτερικό ηλιακό σύστημα. Και μας έχει προβληματίσει το γεγονός ότι αυτά τα δύο σκάφη έχουν επιβραδυνθεί γρηγορότερα από όσο προβλέπει ο νόμος του Νεύτωνα. Η αιτία αυτής του "φαινομένου Pioneer" συζητείται αρκετά, αλλά ο ρυθμός της επιβράδυνσης είναι αυτό που αναμένεται εάν η θεωρία του Jacob Bekenstein ήταν σωστή. Ακόμα, οι περισσότεροι φυσικοί δεν θα δεχτούν την τροποποιημένη εξήγηση της βαρύτητας εκτός και αν ένα ειδικό πρόγραμμα - μια διαστημική αποστολή -  επιβεβαιώσει ότι για το φαινόμενο του Pioneer φταίει η θεωρία MOND.

Επίσης, η θεωρία MOND μπορεί να εξεταστεί πιο σίγουρα μέσω του προγράμματος διαστημικού συμβολομέτρου με λέιζερ της NASA και της ESA (LISA), που έχει με σκοπό να ψάξει για τα βαρυτικά κύματα - οι κυματισμοί που δημιουργούνται στον χωρόχρονο από κατακλυσμιαία γεγονότα, όπως είναι η σύγκρουση των αστεριών νετρονίων. Το 2008, μια αποστολή που λέγεται LISA Pathfinder θα φτάσει σε πολύ μεγάλες τροχιές γύρω από τη Γη, φέροντας μαζί της τις συσκευές, που ανιχνεύουν πολύ μικρές επιταχύνσεις.

Οι επιστήμονες θεωρούν ότι στέλνοντας τον Pathfinder σε ένα σημείο στο διάστημα, όπου η βαρύτητα της Γης και του Ήλιου ισορροπούν ακριβώς, εκεί όπου οι βαρυτικές δυνάμεις του Νεύτωνα και του Αϊνστάιν γίνονται μηδέν. Σύμφωνα με τον Bekenstein, εντούτοις, πρέπει ακόμα να υπάρχει μια μικρή δύναμη. Δεν είναι εν τούτοις καθαρό αν ο ανιχνευτής θα είναι αρκετά ευαίσθητος για να ανιχνεύσει αυτήν την δύναμη, αλλά εάν θα την ανιχνεύσει, τότε θα είναι μια νίκη της MOND.

Η κύρια αποστολή LISA είναι για το 2015 και αναμένεται επίσης να ρίξει φως στην MOND, αν συλλάβει τα κύματα της βαρύτητας. Αντίθετα από τα βαρυτικά κύματα στη γενική σχετικότητα, τα βαρυτικά κύματα στη θεωρία του Bekenstein κινούνται πιο αργά από το φως, επειδή ένα από τα πρόσθετα πεδία τα επιβραδύνει. Εάν τα πειράματα της αποστολής LISA διαπιστώσουνι ότι τα κύματα πράγματι κινούνται πιο αργά από το φως, το γεγονός αυτό θα ήταν ισχυρό στοιχείο ότι η MOND είναι στη σωστή τροχιά.

Οι αντίπαλες θεωρίες της MOND

Φυσικά η MOND  δεν είναι και η μόνη εναλλακτική θεωρία της βαρύτητας. Άλλες προτεινόμενη ιδέες για την αντικατάσταση των ήδη γνωστών είναι:

1. Η θεωρία των Brans-Dicke  (1961). Ο Carl Brans του Πανεπιστημίου του Σικάγο και ο Robert Dicke του Πρίνσετον υπέθεσαν ότι η σταθερά της βαρύτητας της γενικής σχετικότητας εξαρτάται από ένα επιπρόσθετο βαθμωτό πεδίο. Η δύναμη της βαρύτητας μεταβάλλεται στο χρόνο και στο χώρο σύμφωνα με την  ισχύ αυτού του πεδίου.

2. Η θεωρία των Joel Brownstein και John Moffat στο Perimeter Ινστιτούτο για τη θεωρητική φυσική στο Waterloo του Οντάριο (2005). Στη θεωρία τους (Διανυσματικός Βαθμωτός Τένσορας Βαρύτητας) οι κβαντικές διακυμάνσεις αλλάζουν την ισχύ της βαρύτητας από μέρος σε μέρος, που προκαλεί αποτελέσματα σαν τη MOND.

3. Ο Robert Sanders του πανεπιστημίου του Γκρόνινγκεν στην Ολλανδία,  περιέγραψε μια θεωρία  το 2005), που προχωρά περισσότερο το μοντέλο της MOND, που είναι σχετικιστικό σαν του Bekenstein, αλλά με με δύο βαθμωτά πεδία αντί για ένα. Οι δονήσεις στο δεύτερο πεδίο προκαλούν ένα είδος σκοτεινής ύλης.

Πηγή: NewScientist