— Published on 20/10/2024 / Bug.hr.
Hipotetski topološki defekti mogli bi objasniti gravitacijsko vezanje nekih kozmoloških struktura, bez posezanja za tamnom tvari, tvrdi se u nedavno objavljenom radu u uglednom znanstvenom časopisu
Pred koji dan sam brucošima u Osijeku, na jednom predavanju iz fizike, govorio o Newtonovom općem zakonu gravitacije i spomenuo da je izvor gravitacijske sile – masa, odnosno da bez mase nema ni gravitacije. Bio sam u iskušenju spomenuti da stvari zapravo nisu baš tako jednostavne te se upravo spremam napisati jedan osvrt na popularizacijski tekst Istraživači prvi put pokazali da gravitacija može postojati i bez mase (Gravity can exist without mass, researcher shows, for the first time).
Gravitacija bez mase
Dakle, točno je da gravitacija može postojati i bez mase. Ali ta činjenica nije nikakva novost. Naime, to je poznato od 1915. godine, kad je Einstein objavio konačnu verziju svoje opće teorije relativnosti. Prema općoj teoriji relativnosti, gravitacija je posljedica zakrivljenosti prostorvremena, a tu zakrivljenost uzrokuje uglavnom masa. Ali ne samo masa. Naime, zakrivljenost određuje tenzor energije-količine gibanja (u engleskom jeziku poznatiji kao stress–energy tensor). Taj tenzor, iz Einsteinovih jednadžbi, ima 16 komponenti, ali zbog simetrije samo je 10 neovisnih komponenti. Tek jedna od tih 10 komponenti odgovara masi. Ostale odgovaraju energiji, količini gibanja i sličnim veličinama. Dakle zakrivljenost prostorvremena, a onda i gravitacijsko međudjelovanje koje mi opažamo, može proizaći samo iz energije, bez mase. To je poznato gotovo 110 godina. Daleko od toga da su to jučer „istraživači prvi put pokazali”.
Topološki defekti u kozmologiji
Gore spomenuti popularizacijski tekst odnosi se na rezultate nedavno objavljenog teorijskog rada The binding of cosmological structures by massless topological defects objavljenog u astrofizičkom znanstvenom časopisu Monthly Notices of the Royal Astronomical Society. Autor je Richard Lieu, astrofizičar sa Sveučilišta u Alabami koji se inače bavi gravitacijskim lećama, tamnom tvari i alternativnim teorijama gravitacije. „Alternativne teorije” u ovom kontekstu nisu pseudoznanost nego znanstveno utemeljeni matematički modeli koji polaze od raznih pretpostavki i koji možda opisuju stvarnost, a možda i ne. To tek treba pokazati, no načelno se može potvrditi, i što je još važnije, može se opovrgnuti.
Lieu je u svojem radu pokazao da topološki defekti, točno odabrane veličine i geometrije, mogu dati takav doprinos gravitacijskom međudjelovanju unutar neke kozmološke strukture, recimo galaksije, da se njime mogu opisati pojedina svojstva, recimo rotacijske krivulje galaksija, bez pozivanja na tamnu tvar. To je i motivacija cijele priče: hipotetsku tamnu tvar ne uspijevamo izravno detektirati, pokušajmo onda naći neko drugo objašnjenje.
Ni topološki defekti u kozmologiji nisu novost. Usput rečeno, ja sam o njima pisao još u svojem diplomskom radu, davne 1997. godine. I topološki defekti su također hipotetski objekti koje predviđaju neki teorijski modeli koji se bave ranom fazom razvoja svemira. Ti fascinantni objekti bi mogli biti jednodimenzijski, kao kozmičke strune, ali jako, jako dugački, od nekoliko godina svjetlosti do nekoliko milijardi godina svjetlosti. A mogli bi biti i dvodimenzijski, kao domenski zidovi. Takve strukture je matematički modelirao Richard Lieu, kako bi iz igre izbacio tamnu tvar.
Pa što onda jest novo?
Ono što je Lieu napravio jest ovo: odabrao je dvodimenzijski topološki defekt s takve veličine i oblika koji daje upravo onakav doprinos gravitacijskom međudjelovanju koji bi dala i hipotetska tamna tvar. Dakle, hipoteza → matematički proračun → objašnjenje. To je tako i kod tamne tvari. Ali... problem je što je ova hipoteza uvedena samo kako bi se objasnio partikularni problem. Načelno je bolje kad jedna hipoteza objašnjava cijelu klasu problema. U tom smislu je tamna tvar ipak u prednosti.
Sam Lieu je u priopćenju za medije, koje redovito ide uz objavu važnijih članaka, rekao da ovaj njegov rezultat ne dokida u potpunosti potrebu za tamnom tvari, samo pokazuje da se u nekim slučajevima ona može nadomjestiti drugim objašnjenjima. S obzirom da su topološki defekti u kozmologiji spekulativna ideja koja možda uopće nema veze sa stvarnošću, dodaje da je njegov rad, ako ništa drugo, jedna „zanimljiva matematička vježba” iz gravitacijske fizike. Pokazuje kako bezmaseni 2D topološki defekt, ako tako nešto postoji, može imati gravitacijski utjecaj na čitavu galaksiju ili čak na cijeli skup galaksija.