Da li je otkrivena nova teorija gravitacije

Piše: Darko Donevski

Izvor: Elementarium.cpn.rs

Pre nekoliko godina, holandski fizičar Erik Verlinde sa Univerziteta u Amsterdamu, izazvao je veliku pažnju naučne javnosti predlažući teoriju po kojoj gravitacija nije fundamentalna sila prirode. U modernoj nauci 21. veka retka su otkrića koja imaju za cilj da menjaju široko prihvaćene paradigme. Zakon gravitacije, koji je formulisao Isak Njutn još u 17. veku, jedna je od njih.

Druga velika paradigma je tzv. “kosmološka”, i ona je predstavljena modelom koji u sebi sadrži komponente neophodne da opišu ono što smo do sad naučili o razvoju struktura u našem Univerzumu. U te komponente, između ostalog, spada i tamna materija.

Promena paradigme?

Novi zakon gravitacije holandskog fizičara Verlindea pretenduje da menja pomenute paradigme. On isključuje postojanje tamne materije, ali i gravitacije kao fundamentalne sile. Međutim, sve zaključke ove diskusije treba prihvatiti kritički i isključivo kao polaznu tačku za praćenje daljih analiza ove “vruće”debate koja je podelila naučne krugove.

Erik Verlinde, teorijski kosmolog sa Univerzitetu u Amsterdamu kaže da lekcije o gravitaciji kakvu smo je učili (i učimo) u školama, ne otkriva neke značajne stvari koje uglavnom saznaju oni učenici koji kasnije odu na studije fizike. To je jedina fundamentalna sila čija čestica-prenosilac nije detektovana (kao što je to slučaj kod elektromagnetne ili nuklearne sile), a Ajnštajnova teorija gravitacije i kvantna mehanika nikako nisu pomirene čak i 100 godina nakon svog pojavljivanja.

Tako je pre pet godina, profesor Verlinde izazvao veliku pažnju naučne javnosti predlažući teoriju po kojoj gravitacija nije fundamentalna sila prirode, već “samo” manifestacija određenih efekata koji zavise od skale na kojoj se fizički procesi dešavaju.

Prema onome što je napisao u svom radu On The Origin of Gravity And The Laws of Newton (2010) gravitacija se ponaša slično kao temperatura. Temperatura sistema raste kada se povećava brzina kretanja mikroskopskih čestica u njemu, dok na sličan način gravitacija pokazuje svoja svojstva kada se “pobude” mali paketi informacija skriveni u strukturi samog prostor-vremena.

I ne samo da u njegovoj verziji gravitacije nije potrebno da formulišemo gravitaciju kao silu, već ta teorija isključuje i toliko čuvenu i misterioznu tamnu materiju, za čijom eksperimentalnim potvrdom astrofizičari tragaju već decenijama.

Podsetimo se za trenutak fenomena tamne materije kako bismo bolje razumeli efekat Verlindeove teorije. Na grafiku je prikazana kriva rotacije tipične spiralne galaksije, konkretno galaksije u Trouglu, M33. Bilo bi logično (na osnovu teorijskih pretpostavki, što je na grafiku predstavljeno narandžastom linijom) očekivati da spoljašnji delovi galaksija rotiraju sporije.

To je zaključeno na osnovu mase koju čini tzv. vidljiva materija poput zvezda, planeta, međuzvezdanog gasa i sl. Međutim, astronomska merenja donela su nam nešto potpuno drugačije: izmerena kriva je značajno iznad pretpostavljene, što dovodi do pitanja: postoji li još neka dodatna masa koja utiče na takvo ponašanje objekata? Tako je uvedena pretpostavka o postojanju tamne materije.

Ona je nazvana tamnom jer se smatra da ova materija niti emituje niti reflektuje svetlost. Zanimljivo, ali prvobitna verzija Verlindeove teorije precizno je objasnila ovaj fenomen nedostajuće mase, koji je doveo do toga da se naučna javnost zapita: može li se napraviti prvi, pravi posmatrački test ove teorije na osnovu modernih astronomoskih podataka koji su trenutno na raspolaganju?

Prvi posmatrački dokazi

Taj test došao je prethodnih dana. Tim astronoma sa Univerziteta u Lajdenu predvođen doktorandkinjom Margot Broer objavio je rad u kome se nalaze rezultati prve i u isto vreme veoma uspešne provere Verlindeove nove teorije gravitacije. Ona govori o testiranju Verlindeove teorije, njenom rezultatu ali i planovima o daljim proverama ove zanimljive ideje.

“Bila sam upoznata sa Erikovim radom, jer se i on nalazi u Amsterdamu. S obzirom da sam se tokom svog doktorata bavila gravitacionim sočivima u kontekstu kosmologije učinilo nam se da možemo da spojimo istraživanja i napravimo prvi test. Erik je nakon svog prvobitnog rada napisao još nekoliko modifikacija teorije, da bi ove godine objavio rad Emergent Gravity and the Dark Universe u kojem su i predviđanja koja se tiču ponašanja gravitacije na raznim skalama. Naime, na osnovu tog rada postojala je indikacija da u velikim kosmološkim strukturama, kao što su galaktička jata, postoji “višak” gravitacije kao posledica povećane entropije, dakle imamo pojavu povećanja tzv. “entropičke gravitacije” (originalni termin koji Verlinde koristi je Emergent Gravity, prim. aut.)“.

Šta zapravo predstavlja suštinu tzv. “entropičke gravitacije”. Trenutno važeća teorija gravitaciju opisuje kao silu koje se ostvaruje preko polja (kvantna teorija polja) i čestice-prenosioca (hipotetički je predviđeno postojanje gravitona). U Verlindeovoj verziji, gravitacija se matematički reflektuje na isti onaj način koji smo učili u školama: proporcionalna je proizvodu masa a obrnuto proporcionalna kvadratu rastojanja između tih masa.

Suštinska razlika je u tome što se do formule dolazi statističkim putem, na osnovu teorije termodinamike, a ne na osnovu Njutnovih principa. Ono što je prava novina u toj teoriji jeste uvođenje pretpostavke da svaka dodatna informacija svoje poreklo ima u holografskom principu, koji kaže da se apsolutno svaka informacija o bilo kom objektu (čestici) u svemiru može pronaći u dovoljno velikoj sferi oko njega.

Tu ideju postulirala su velika imena fizike (i Verlindeovi mentori), Nobelovci Gerhard t’Huft i Leonard Saskind, poznati kosmolog sa Stenforda. Međutim, Verlinde je otišao i korak dalje, pretpostavljajući da je deo informacija sadržan i u samom prostoru.

“Da, to je zaista zapanjujuće i uzbudljivo u isto vreme”, nastavlja Margot, “Verlinde je tako pretpostavio da svaka dodatna informacija koja je sadržana na mestima pojačane gravitacije, tamo gde se nalazi veće koncentracije mase, dovodi do rezultantne sile koja perfektno objašnjava efekat za koji smo mislili da je prouzrokovan tamnom materijom. Pronašli smo dovoljno dobar uzorak galaksija da Verlindeovu teoriju isprobamo. Za to je bilo potrebno nekoliko uslova: objekti su morali da budu u lokalnom svemiru, sferni i izolovani, tako da dominiraju svojim masama, odnosno da se na neki način ponašaju kao objekti koje u astronomiji znamo pod imenom gravitacionih sočiva. Oni se tako zovu jer svojom masom zakrivljuju svetlost objekta (galaksije u ovom slučaju, prim. aut.) pojačavaju je, i omogućavaju da se taj udaljeni objekat otkrije čak iako je mnogo slabijeg sjaja”.

Uzorak koji su Margot Broer i njeni saradnici koristili sadržao je preko 30 hiljada lokalnih galaksija na crvenim pomacima manjim od 1. To su galaksije koje su stare oko 6 milijardi godina, i za koje korekcije na kosmološke udaljenosti nisu toliko značajne kao na primer za galaksije koje su se formirala svega milijardu godina nakon Velikog praska.

Podsetimo se, starost Univerzuma na osnovu poslednjih merenja iznosi oko 13.79 milijardi godina. Tim naučnika je rekonstruisao masu svih selektovanih objekata, a cilj je bio da vide kako se za različite opsege masa, od najmanjih ka najvećim, ponašaju predviđanja Verlindeove teorije u odnosu na rezultate posmatranja.

“Rezultat merenja je dao zapanjujuće precizna poklapanja teorije i posmatračkih podataka. Pokazali smo da se funkcija koja opisuje mase može adekvatno precizno dobiti i bez uvođenja “u igru” tamne materije, što je bio i naš krajnji cilj”, istakla je ona.

Treba napomenuti još jednu važnu stvar kada je u pitanju Verlindeova teorija, u odnosu na neke druge alternativne teorije koje su takođe pokušale da objasne posmatranja bez korišćenja tamne materija, poput teorije MOND (Modifikovana teorija gravitacije).

Dok je MOND nastao kao rezultat želje da se krene od posmatranja kako bi se došlo do modifikacije ponašanja gravitacije na različitim skalama, u Verlindeovom slučaju je pristup potpuno drugačiji – on je kao rezultat svog inicijalnog pristupa iz termodinamike dobio predviđanje koje astronomi sada praktično proveravaju.

“Uzbuđeni smo, i dobili smo veliku medijsku podršku, međutim svesni smo da je ovo samo prvi test i da mnogo stvari treba da se uradi kako bismo bili bliži nekom konačnom odgovoru. Naime, ova teorija za sad može da objasni samo lokalne sisteme, takođe treba da se testira na primeru nekih drugih objekata, pre svega onih interagujućih, a takođe da se proveri kako se sve odnosi sa astročestičnom fizikom.”, zaključila je Margot.

Jedan od zanimljivih budućih testova biće ponašanje galaksija u kompleksnim jatima poput galatičkog jata Virgo. To jato poseduje veliki broj masivnih gravitacijskih sočiva, a nedavna otkrića naučnika sa nekih evropskih instituta daju predviđanja koliko dalekih galaksija može da bude otkriveno ukoliko se iskoristi evolucija odnosa njihovog UV i infracrvenog zračenja. S obzirom da je otkriveno mnogo više izrazito luminoznih sistema nego što modeli predviđaju, to bi potencijalno bio veoma važan test za Verlindeovu teoriju dorađenu za galaksije u ranom Svemiru.

Nedugo nakon rada Margot Broer, na sajtu novih naučnih publikacija arXiv pojavio se još jedan rad koji potvrđuje Verlindeovu teoriju i to za potpuno suprotan slučaj: slučaj malih satelita nešeg Mlečnog puta koji su poznati pod nazivom patuljaste sferoidne galaksije. To je istovremeno i primer koliko se moderna nauka brzo razvija i poseduje sasvim dovoljno posmatračkih resursa da proverava komplikovane naučne teorije. Ipak, ovo je tek početak priče o entropičkoj gravitaciji, jer ostaju mnogi astronomski fenomeni koje trenutni oblik Verlindeove teorije ne može da objasni bez uključivanja tamne materije. Međutim, prvi zadatak je uspešno obavljen.