सर्व स्केलसाठी गुरुत्वाकर्षण?
Original source: http://astroweb.case.edu/ssm/mond/astronow.html
गुरुत्वाकर्षणाची आधुनिक संकल्पना सतराव्या शतकात सर आयझॅक न्यूटन यांच्यापासून सुरू झाली. न्यूटनच्या गुरुत्वाकर्षणाच्या वैश्विक नियमाच्या आधारावर एक साधे अनुभवजन्य निरीक्षण आहे: सर्वकाही घडते… जणू काही दोन शरीरांमधील बल त्यांच्या वस्तुमानाच्या गुणाकाराच्या थेट प्रमाणात आणि त्यांच्यामधील अंतराच्या वर्गाच्या व्यस्त प्रमाणात असते. – Sir Isaac Newton
या साध्या वस्तुस्थितीने चंद्राच्या सविस्तर गतीचे स्पष्टीकरण दिले, ग्रहांच्या गतीचे केप्लरचे नियम अंतर्भूत केले आणि आधुनिक काळात आंतरग्रहीय अवकाशाच्या विशाल विस्तारातून लहान अंतराळ यानाला उल्लेखनीय अचूकतेने कसे नेव्हिगेट करावे याची माहिती दिली. इतिहासात कधीही असे स्पष्ट बोललेले निरीक्षण आपल्याला (अक्षरशः!) आजपर्यंत नेले नाही.
न्यूटनच्या गुरुत्वाकर्षणाच्या नियमाची चाचणी सबमिलीमीटरपासून सौरमालेपर्यंतच्या विस्तृत स्केलवर केली गेली आहे. त्याचे वारंवार यश आणि अविश्वसनीय अचूकता इतर काही भौतिक सिद्धांतांद्वारे प्रतिस्पर्धी आहे. सार्वभौमिक गुरुत्वाकर्षणाची विश्वासार्हता अशी होती की एकोणिसाव्या शतकात बुध ग्रहाच्या कक्षेतील लहान अतिरिक्त प्रक्षेपणामुळे संकट निर्माण झाले.
हे संकट आइन्स्टाईनच्या सामान्य सापेक्षतेच्या सिद्धांताने सोडवले गेले, जे न्यूटनपासून गुरुत्वाकर्षणाच्या आपल्या संकल्पनेचे एकमेव महत्त्वपूर्ण अद्यतन आहे. सामान्य सापेक्षतेने स्वतःच अनेक अचूक चाचण्यांचा सामना केला आहे. न्यूटन-आईन्स्टाईन सिद्धांताचे वारंवार यश, आणि त्याच्या लेखकांच्या निर्भेळ प्रतिष्ठेमुळे, विद्वानांमध्ये एक व्यापक वृत्ती निर्माण झाली आहे की गुरुत्वाकर्षणाबद्दल शिकण्यासाठी नवीन काहीही असू शकत नाही. यातील अनेक विद्वान एकाच वेळी प्रत्येक गोष्टीचा किंवा किमान चार मूलभूत शक्तींचा एकसंध सिद्धांत असला पाहिजे या विरोधाभासी वृत्तीचे पालन करतात. आतापर्यंत, गुरुत्वाकर्षणाने निसर्गाच्या इतर शक्तींच्या वर्णनासाठी आवश्यक असलेल्या क्वांटम यांत्रिक चित्रात आत्मसात होण्यास नकार दिला आहे. तरीही गुरुत्वाकर्षणाचा क्वांटम सिद्धांत असला पाहिजे. याचा तार्किक निष्कर्षापर्यंत पाठपुरावा करत असताना, न्यूटन आणि आइनस्टाईनने आपल्याला आधीच जे सांगितले आहे त्यापलीकडे अजून बरेच काही शिकायला हवे.
क्वांटम क्षेत्राच्या पलीकडे, इतर गुरुत्वीय कोडी आहेत ज्यांचे स्पष्टीकरण करणे बाकी आहे. सर्वात समर्पक एक सामान्यतः “डार्क मॅटर समस्या” म्हणून संबोधले जाते. जेव्हा खगोलशास्त्रज्ञ आकाशगंगा आणि तरीही मोठ्या सिस्टीममधील तारे आणि वायूच्या हालचाली मोजतात तेव्हा त्यांना असे आढळून येते की ताऱ्यांसारख्या दृश्य स्वरूपातील वस्तुमानावर नेटवॉनच्या युनिव्हर्सल गुरुत्वाकर्षणाचा वापर करून स्पष्ट केले जाऊ शकते त्यापेक्षा वेग जास्त आहे (आकृती 1 पहा) . यामुळे विश्वातील बहुतेक वस्तुमान (अंदाजे 90%) गडद आहे असा निष्कर्ष काढला आहे.
डार्क मॅटरसाठी भरपूर पुरावे आहेत. तरीही हे सर्व पुरावे या गृहितकावर आधारित आहेत की न्यूटोनियन सिद्धांत सूर्यमालेपासून (जेथे त्याची चांगली चाचणी केली जाते) आकाशगंगांच्या स्केलपर्यंत सुरक्षितपणे एक्सट्रापोलेट केले जाऊ शकते. एक उत्कृष्ट प्रारंभ बिंदू असताना, आपण असे गृहीत धरू नये की तो खरोखरच टिकून राहील. ज्ञानशास्त्राच्या स्टिकर्सचा असा आक्षेप असू शकतो की, काटेकोरपणे सांगायचे तर, आपल्याला गडद पदार्थासाठी पुराव्यांचा सामना करावा लागत नाही, तर वस्तुमान विसंगतींचा सामना करावा लागतो. आपण जे पाहतो ते जोडत नाही, म्हणून एकतर विश्व न पाहिलेल्या वस्तुमानाने भरलेले आहे किंवा या वस्तुमानाचा निष्कर्ष काढणाऱ्या सिद्धांताला पुनरावृत्तीची आवश्यकता आहे.
गुरुत्वाकर्षणाच्या अनुभवजन्य मुळांकडे परत जाण्यासाठी, न्यूटनचे निरीक्षण आठवा की “प्रत्येक गोष्ट जणू काही वागते…” हे सूर्यमालेत अत्यंत अचूकतेने खरे असले तरी, आकाशगंगा आणि इतर आकाशगंगा प्रणालींमध्ये ते स्पष्टपणे खोटे आहे. जर ते धरले तर आपल्याला गडद पदार्थाची गरज भासणार नाही. जर न्यूटनच्या सूत्रात काही बदल केले असतील तर त्याच्या या वाक्याचा “सर्वकाही जसे वागते…” याच्या भावनेचे समाधान असेल तर दोष गुरुत्वाकर्षणावर टाकणे योग्य ठरेल.
असे अनेक प्रयत्न झाले आहेत, आणि अनेक अयशस्वी झाले आहेत. या अपयशांनी लोकांना गडद पदार्थाच्या दिशेने प्रोत्साहन दिले. तरीही अशी एक कल्पना आहे जी अयशस्वी होण्यासाठी होय. 1983 मध्ये, इस्रायली भौतिकशास्त्रज्ञ एम. मिलग्रोम यांनी अत्यंत कमी प्रवेगांवर कणांच्या हालचाली नियंत्रित करणाऱ्या समीकरणांमध्ये विशिष्ट बदलाची कल्पना केली. त्याने याला सुधारित न्यूटोनियन डायनॅमिक्स किंवा MOND म्हटले. MOND उच्च प्रवेगाच्या नियमात नेहमीच्या न्यूटोनियन स्वरूपापर्यंत कमी करते, परंतु 1011 मध्ये पृथ्वीवर आपल्याला जे वाटते त्यापेक्षा 1 भागापेक्षा कमी प्रवेगांवर, गोष्टी अशा प्रकारे बदलतात ज्यामुळे वस्तुमान विसंगती असू शकते.
एकदा MOND ची समीकरणे (किंवा इतर कोणतेही गृहितक बदल) लिहून झाल्यावर, ते युक्ती चालवायला फारशी जागा सोडतात. अचूक डायनॅमिकल डेटा, जसे की सर्पिल आकाशगंगांच्या रोटेशन वक्र, MOND च्या वापरापासून ते प्रकाशमान पदार्थ (तारे आणि वायू) च्या निरीक्षण वितरणापर्यंत अनुसरण करणे आवश्यक आहे. प्रत्येक आकाशगंगा गृहीतकेची एक अद्वितीय चाचणी प्रदान करते. आकृती 1 मधील आकाशगंगांच्या निरीक्षण केलेल्या रोटेशन वक्रांशी जुळवून घेणे आता 100 पेक्षा जास्त आकाशगंगांसाठी केले गेले आहे, ज्याचे परिणाम तुलनात्मक आहेत. अधूनमधून कोडे असले तरी, MOND स्पष्टपणे अयशस्वी झाल्याची कोणतीही ज्ञात प्रकरणे नाहीत. बहुसंख्य मध्ये, ते स्पष्टपणे यशस्वी होते. MOND हे सूत्र आहे जे न्यूटनच्या “प्रत्येक गोष्टीप्रमाणे वागते…” या वाक्याचे समाधान करते.
त्याच्या मूळ 1983 च्या पेपर्समध्ये, मिलग्रॉमने ‘कमी पृष्ठभागाची घनता’ आकाशगंगांच्या तत्कालीन अज्ञात वर्गाविषयी अनेक भविष्यवाणी केली. या वस्तू, जर MOND बरोबर असेल तर, मोठ्या वस्तुमानातील विसंगती दर्शविल्या पाहिजेत कारण त्यांचे पसरलेले प्रकाशमान वस्तुमान अधिक तेजस्वी आकाशगंगांमध्ये आढळणार्‍या आधीच कमी प्रमाणात असलेल्या गुरुत्वाकर्षण प्रवेग प्रदान करेल. त्याने या भविष्यवाणीचे अनेक विशिष्ट, चाचणी करण्यायोग्य परिणाम सूचीबद्ध केले. त्या वेळी, अशा वस्तू दुर्मिळ किंवा अस्तित्वात नसल्याचा विचार केला जात असे. नंतर त्यांचा शोध लागला, आणि आता त्यांना ‘कमी पृष्ठभागाची चमक’ आकाशगंगा म्हणून ओळखले जाते. त्यांच्या स्वत: च्या हितासाठी या नवीन वस्तूंचा अभ्यास करण्याच्या प्रक्रियेत, खगोलशास्त्रज्ञांनी हळूहळू मिलग्रॉमच्या मोठ्या प्रमाणात विसरलेल्या, दशक जुन्या अंदाजांची चाचणी घेण्यासाठी आवश्यक डेटा जमा केला. डेटामध्ये त्यांच्यापैकी प्रत्येकाची जाणीव झाली हे शोधून खूप धक्का बसला. तत्त्वतः विज्ञान गृहीतकांच्या बांधणीद्वारे प्रगती करत आहे जे भविष्यवाण्या बनवतात ज्याची नंतर चाचणी केली जाऊ शकते, हे एक दुर्मिळ प्रकरण आहे की प्रत्यक्षात प्रत्यक्षात या मॉडेलचे इतके स्वच्छपणे पालन केले जाते.
MOND चे हे यश अशा ठिकाणी सर्वात स्पष्ट आहे जिथे त्याची चाचणी करणारा डायनॅमिकल डेटा सर्वात अचूक आहे. तथापि, इतर अनेक प्रणाली आहेत जेथे चित्र कमी स्पष्ट आहे. डायनॅमिकल कायद्यातील कोणत्याही बदलाने सर्वत्र मोठ्या प्रमाणात विसंगती स्पष्ट केली पाहिजे. हे केवळ रोटेशन वक्रांसाठीच नाही तर गोलाकार आकाशगंगांच्या वेगाच्या प्रसारासाठी, आकाशगंगांच्या समूहांचे वायू तापमान आणि विश्वाच्या मोठ्या आकाराच्या संरचनेत आकाशगंगांच्या विचित्र हालचालींसाठी देखील कार्य केले पाहिजे.
एका ठिकाणी MOND ला गंभीर अडचणी असल्याचे दिसून येते ते दीर्घिकांच्या समृद्ध समूहांमध्ये आहे: निरिक्षणांचे स्पष्टीकरण देण्यासाठी आवश्यक असलेल्या अंदाजे दोन घटकांनी प्रकाशमान वस्तुमान कमी होते. एकीकडे, हे इतके वाईट वाटू शकत नाही: खगोलशास्त्रातील दोन घटकांच्या आत येणे हे एक मोठे यश म्हणून पाहिले जाते. दुसरीकडे, विसंगती अस्सल दिसते. याचा अर्थ असा होतो की क्लस्टर्समध्ये अजून काही अतिरिक्त वस्तुमान शोधणे बाकी आहे. हे, परिणामतः, गडद पदार्थाच्या काही प्रकारांना आमंत्रण देते – अशा गोष्टी दूर करू पाहणाऱ्या सिद्धांतासाठी क्वचितच विक्रीचा मुद्दा. हे MOND साठी घातक मानले जाऊ शकते जर क्लस्टर्समध्ये मोठ्या प्रमाणात मोठ्या प्रमाणात जलाशयांचा शोध लागला नसता. बर्याच काळापासून असे मानले जात होते की आकाशगंगेतील तारे ज्याने क्लस्टर बनवले आहेत ते सामान्य पदार्थांचे सर्वात मोठे जलाशय आहेत. सुमारे एक दशकापूर्वी, हे स्पष्ट झाले की क्लस्टर आकाशगंगांमध्ये पसरलेल्या गरम, पसरलेल्या वायूचे वस्तुमान ताऱ्यांमधील वस्तुमानापेक्षा खूप जास्त आहे. असे असताना, दोघांपैकी आणखी एक घटक समोर येणार नाही याची खात्री बाळगणे कठीण आहे.
दुसरी समस्या कॉस्मॉलॉजी आहे. अपरिवर्तित सामान्य सापेक्षता हॉट बिग बँग कॉस्मॉलॉजीच्या अनुभवजन्य पैलूंसाठी एक समाधानकारक व्याख्या प्रदान करते – एक विस्तारणारे विश्व, प्रकाश घटकांचे न्यूक्लियोसिंथेसिस आणि कॉस्मिक मायक्रोवेव्ह पार्श्वभूमी म्हणून ओळखले जाणारे अवशेष रेडिएशन. स्टँडर्ड कॉस्मॉलॉजीचे यश बहुतेकदा MOND विरुद्ध पुराव्याशी समतुल्य मानले जाते. तरीही मानक कॉस्मॉलॉजी केवळ तेव्हाच व्यवहार्य आहे जेव्हा वस्तुमानाचा 90% वस्तुमान अद्याप काल्पनिक स्वरूपात अस्तित्वात असेल – क्वचितच एक मोठा अभिमानास्पद मुद्दा. सर्वात वाईट म्हणजे, अलिकडच्या वर्षांत आइन्स्टाईनच्या स्वयं-वर्णित “सर्वात मोठी चूक” पुनरुज्जीवित करणे आवश्यक झाले आहे: वैश्विक स्थिरांक. ही विचित्र वळणे काही मोठ्या सत्याकडे संकेत देत आहेत का असा प्रश्न पडू शकतो.
कॉस्मिक मायक्रोवेव्ह पार्श्वभूमी या समस्येचे निराकरण करण्यात मदत करू शकते. गडद पदार्थांनी भरलेले विश्व महाविस्फोटाच्या या प्रतिध्वनीवर गडद पदार्थ नसलेल्यापेक्षा एक सूक्ष्मपणे भिन्न स्वाक्षरी सोडते. अलीकडील निरिक्षण दोन प्रकरणांमध्ये फरक करण्यास सक्षम होण्याच्या अगदी जवळ आले, परंतु शेवटी स्पष्ट फरक करण्यात अयशस्वी झाले. NASA च्या MAP आणि ESA च्या PLANCK सारख्या आगामी अंतराळ मोहिमा, आशा आहे की युक्ती करेल.
MOND हा सिद्धांत म्हणून बरोबर आहे की नाही याची पर्वा न करता, ते एक निरीक्षणित घटना बनवते जे स्पष्टीकरणाची मागणी करते. डार्क मॅटर चित्रासाठी येथे एक वास्तविक कोंडी आहे. घूर्णन वक्रांसाठी गडद पदार्थाच्या सिद्धांतांच्या नैसर्गिक अपेक्षा MOND सारख्या दिसत नाहीत आणि म्हणूनच आवश्यक निरीक्षणात्मक तथ्यांचा संपूर्ण संच पुनरुत्पादित करण्यात अयशस्वी होतात. डार्क मॅटर थिअरी अशी आशा करू शकते की सर्वात चांगली गोष्ट म्हणजे MOND सारखे दिसणे, आणि म्हणूनच मिलग्रोमने यशस्वीपणे भाकीत केलेल्या अनेक गोष्टी पोस्ट करणे. हे विज्ञान कसे पुढे जायचे आहे याचा विचार करण्यासाठी एक वास्तविक विराम देते.
गडद पदार्थ आणि MOND मधील वाद ताजेतवाने आहे. अलिकडच्या वर्षांत अशी चिंता व्यक्त केली जात आहे की विज्ञान शेवटच्या टप्प्यात आहे. सर्व मूलभूत शोध लावले गेले आहेत; शोधण्यासाठी खरोखर नवीन काहीही शिल्लक नाही. ही भावना सुमारे एक शतकापूर्वीच्या रदरफोर्डच्या शब्दांची प्रतिध्वनी करते: “जे काही उरले आहे … शेवटचे काही दशांश बिंदू भरणे आहे.” आता, तेव्हाप्रमाणे, मूलभूत विज्ञान संपल्याच्या अफवा मोठ्या प्रमाणात अतिशयोक्तीपूर्ण आहेत.
आकृती 1: बटू आकाशगंगा NGC 1560 चे परिभ्रमण वक्र. खालची रेषा म्हणजे निरीक्षण केलेले तारे आणि वायू यांच्यावर न्यूटोनियन गुरुत्वाकर्षणाचा वापर करून अंदाजित रोटेशन आहे. हे निरीक्षण केलेल्या रोटेशनपेक्षा खूपच कमी आहे, ज्यामुळे फरक तयार करण्यासाठी गडद पदार्थाचा निष्कर्ष निघतो. वरच्या ओळीने निरीक्षण केलेले तारे आणि वायू यांना MOND लागू केल्याने रोटेशन अपेक्षित आहे. तत्सम परिणाम आता 100 पेक्षा जास्त आकाशगंगांसाठी ज्ञात आहेत. लक्षात घ्या की या प्रकरणात, गॅस वितरणामध्ये पाळलेली किंक देखील रोटेशनमध्ये परावर्तित होते. हे गडद पदार्थासह स्पष्ट करणे अत्यंत कठीण आहे जे प्रकाशमान वस्तुमानांप्रमाणे वितरित केले जात नाही. MOND हे सूत्र आहे जे न्यूटनच्या “प्रत्येक गोष्टीप्रमाणे वागते…” या वाक्याचे समाधान करते.
