Наука более века пытается разгадать загадку темной материи - гипотетической формы материи, предполагаемой ответственной за определенные гравитационные эффекты, не объяснимые общей теорией относительности (ОТО). Недавнее исследование, опубликованное в журнале Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, предложило новую гипотезу, которая может изменить текущее представление о силе гравитации. Авторы работы демонстрируют возможность существования гравитации без необходимости присутствия массы, что вызывает сомнения в необходимости темной материи. Исследование основано на предположении, что гравитационные взаимодействия, поддерживающие структуры галактик и скоплений галактик, могут быть обусловлены особыми топологическими структурами, возникшими в ранней Вселенной.
Ее высочество гравитация
Гравитация - это фундаментальная сила природы, которая притягивает объекты друг к другу и играет ключевую роль в структуре и формировании Вселенной. Она неразрывно связана с массой объектов: чем больше масса, тем сильнее гравитационное притяжение.
Исходя из знаменитого примера с яблоком Исаака Ньютона, который заметил, что яблоки падают с дерева на землю из-за силы, действующей между ними и Землей, он сформулировал законы всемирного тяготения. Эти законы гласят, что сила гравитации между двумя объектами пропорциональна произведению их масс и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними.
На поверхности Земли гравитация обеспечивает ускорение при свободном падении примерно 9.8 м/с², что означает, что скорость объекта увеличивается на 9.8 метров в секунду каждую секунду. В космосе гравитация сохраняет планеты на их орбитах вокруг звезд. Она также играет роль в формировании звезд, планет и галактик: облака газа и пыли в космосе сжимаются под её воздействием, образуя звезды и планетные системы.
Общая теория относительности
Гравитация была основой научных теорий до начала XX века, когда Альберт Эйнштейн представил общую теорию относительности (ОТО). Она описывает гравитацию не как силу, а как искривление пространства и времени в результате присутствия массы. Чем больше масса объекта, тем сильнее искривляется пространство-время вокруг него. Эта теория объясняет, почему объекты двигаются по определенным траекториям в гравитационных полях.
За прошедшие десятилетия были выявлены различные эффекты гравитации, такие как чувство тяжести на Земле и приливные силы, вызванные гравитацией Луны. Особенно интересным аспектом стали черные дыры, где гравитационная сила настолько сильна, что не даже свет не может уйти за их пределы.
Гравитация неотъемлема от нашей жизни и Вселенной. Она управляет движением планет, формированием звезд и галактик, а также влияет на множество аспектов нашей повседневной жизни. Понимание этой фундаментальной силы природы помогает нам глубже понять устройство окружающего мира.
Гравитация и темная материя
Гравитация остается одной из ключевых загадок современной науки, несмотря на ее на первый взгляд простую сущность. Исследователи продолжают предлагать разнообразные теории о ее природе – от рассмотрения ускорения как ведущей силы до гипотетических гравитонов, безмассовых элементарных частиц. Эти теории вызываются тем, что две ведущие физические теории – общая теория относительности и квантовая механика – в отдельности успешно работают, но вместе противоречат друг другу.
В поисках "теории всего", способной объяснить устройство мира на макро- и микроуровнях, ученые сталкиваются с проблемами, связанными с гравитацией. Долгое время считалось, что гравитация является исключительно атрибутом материи, но возможно ли, что это не так? Возможно ли, что эта фундаментальная сила природы может существовать независимо от массы?
Эта необычная идея привлекла внимание авторов недавнего исследования. Если гравитация действительно может существовать без массы, то тогда нет необходимости в темной материи – гипотетической форме материи, не взаимодействующей с электромагнитными полями и составляющей большую часть Вселенной.
Напомним, что существование темной материи пока не доказано, и ее концепция впервые была предложена для объяснения необычных гравитационных эффектов, таких как высокоскоростное вращение галактик. Введение этой гипотетической материи позволило физикам разрабатывать различные концепции и избегать противоречий в существующих теориях.
Топологические дефекты
Ричард Лью, астрофизик из Университета Алабамы в Хантсвилле, предполагает, что Вселенная может обойтись без темной материи, объясняющей связующие силы между галактиками и другими астрономическими объектами. Вместо этого он предлагает, что Вселенная содержит тонкие слои "топологических дефектов", которые могут порождать гравитацию без необходимости в основной массе.
Топологические дефекты представляют собой макроскопические структуры с определенными свойствами, масштабы влияния которых можно сравнить с размерами наблюдаемой Вселенной. Лью начал свои исследования с попыток найти альтернативные решения уравнений поля Эйнштейна, которые описывают искривление пространства-времени в зависимости от присутствия материи. В общей теории относительности Эйнштейна утверждается, что искривление пространства-времени вызвано массой объектов, в соответствии с знаменитым уравнением ученого: E=mc², где масса связана с энергией.
Таким образом, ОТО предполагает неразрывную связь между гравитацией и массой. Однако Лью представляет альтернативный взгляд, утверждая, что гравитация может существовать независимо от основной массы благодаря топологическим дефектам.
Космические струны
Астрофизик Ричард Лью из Университета Алабамы в Хантсвилле занялся исследованием упрощенной версии уравнений поля Эйнштейна, которые предполагают возможность силы притяжения при отсутствии обнаружимой массы. Его интерес к этой теме был побужден разочарованием в существующих концепциях, особенно в идее темной материи, несмотря на отсутствие прямых наблюдений в течение длительного времени.
В его исследовании Лью предложил концепцию топологических дефектов в виде оболочек, которые могут образовываться в очень плотных областях пространства. Эти оболочки содержат внутри себя тонкий слой положительной массы, окруженный внешним слоем с отрицательной массой.
Топологические дефекты представляют собой высокоплотные области пространства, обычно представленные линейными структурами, такими как космические струны, или двумерными структурами, например, сферическими оболочками.
Несмотря на интересные математические выводы Лью, некоторые ученые считают, что темная материя играет решающую роль в теории гравитации. Известно, что сила притяжения влияет на все объекты, включая безмассовые, и вызывает искривление пространства-времени. Это подтверждается, например, гравитационным влиянием небесных тел на фотоны.
Лью отмечает, что его исследование не отрицает гипотезу о темной материи, но представляет собой математическое упражнение, открывающее новые перспективы на изучение гравитации. Публикация его выводов стала первым математическим доказательством возможности существования гравитации без массы, что представляет значительный научный интерес.