หากคุณเป็นนักวิชาการในแผนกฟิสิกส์ คุณอาจเคยชินกับการได้รับจดหมายจากผู้ที่อ้างว่าได้เขียนกฎของฟิสิกส์ใหม่ บรรณาธิการของนิตยสารวิทยาศาสตร์ก็คุ้นเคยกับบุคคลดังกล่าวเช่นกัน หลายคนถือเอาแรงโน้มถ่วงเป็นเหยื่อของตน แม้ว่าเราไม่ควรละทิ้งความคิดเหล่านี้โดยอัตโนมัติ แต่อย่างไรก็ตาม ไอน์สไตน์เคยเป็นเสมียนสิทธิบัตรที่ไม่มีใครรู้จักเมื่อเขาเขย่าโลกของฟิสิกส์ในปี 1905
ซึ่งส่วนใหญ่
ล้มลงเพราะผู้เสนอของพวกเขาล้มเหลวในการนำความรู้เหล่านี้ไปใช้ในบริบทของความรู้ที่มีอยู่ไม่สามารถพูดถึงเช่นเดียวกันกับนักฟิสิกส์มืออาชีพจำนวนมากขึ้นที่คิดว่าทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปของ นั้นสุกงอมสำหรับการแก้ไข ทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปเป็นส่วนหนึ่งของรากฐานของฟิสิกส์ยุคใหม่
มันอธิบายด้วยคำศัพท์ทางคณิตศาสตร์ที่สวยงามว่าสสารทำให้กาลอวกาศโค้งอย่างไร และดังนั้นวัตถุจึงเคลื่อนที่ในสนามโน้มถ่วงได้อย่างไร นับตั้งแต่เผยแพร่ในปี 1916 ทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปได้ผ่านทุกการทดสอบที่ถามถึงมันด้วยสีที่บินได้ และสำหรับนักฟิสิกส์หลายคน ความคิดที่ว่ามันผิด
ถือเป็นการดูหมิ่น แต่แรงจูงใจในการพัฒนาทฤษฎีแรงโน้มถ่วงทางเลือกนั้นน่าสนใจ ในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา นักจักรวาลวิทยาได้ค้นพบแบบจำลองเอกภพที่เรียบง่ายแต่ประสบความสำเร็จเป็นพิเศษ ปัญหาคือจักรวาลส่วนใหญ่ต้องเต็มไปด้วยสิ่งลึกลับที่เรามองไม่เห็น โดยเฉพาะอย่างยิ่ง ทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไป
หรือขีดจำกัดที่ไม่เกี่ยวกับสัมพัทธภาพ หรือที่เรียกว่าแรงโน้มถ่วงแบบนิวตัน จะสามารถอธิบายไดนามิกของกาแลคซีได้ถูกต้องก็ต่อเมื่อเราเรียกใช้ “สสารมืด” ในปริมาณมากเท่านั้น ยิ่งไปกว่านั้น สิ่งแปลกใหม่ที่เรียกว่าพลังงานมืดเป็นสิ่งที่จำเป็นในการอธิบายการค้นพบเมื่อเร็วๆ นี้ว่าการขยายตัวของเอกภพ
กำลังเร่งตัวขึ้น อันที่จริง ในแบบจำลองมาตรฐานของจักรวาลวิทยา สสารที่มองเห็นได้ เช่น ดวงดาว ดาวเคราะห์ และตำราฟิสิกส์คิดเป็นเพียง 4% ของจักรวาลทั้งหมด เมื่อเผชิญกับการขาดหลักฐานโดยตรงเกี่ยวกับสสารมืด นักฟิสิกส์กลุ่มเล็กๆ แต่กำลังเติบโตกำลังเสนอคำอธิบายทางเลือก:
คำอธิบาย
เรื่องแรงโน้มถ่วงของเรานั้นผิด และหากการอภิปรายในการประชุมเชิงปฏิบัติการเกี่ยวกับสสารมืดและแรงโน้มถ่วงทางเลือกที่จัดขึ้นในเดือนเมษายนที่หอดูดาวหลวงในเอดินบะระเมื่อเร็วๆ นี้ เป็นเรื่องที่ต้องดำเนินการ เมล็ดพันธุ์แห่งความสงสัย มีการเสนอสสารมืดในปี 1933 เพื่ออธิบายว่าทำไมกาแลคซี
ในบางกระจุกจึงเคลื่อนที่เร็วกว่าที่จะเป็นไปได้หากพวกมันมีสสาร “แบริโอนิก” ที่เรามองเห็นเท่านั้น ไม่กี่ทศวรรษต่อมา มีการตรวจพบพฤติกรรมที่คล้ายคลึงกันในกาแลคซีแต่ละแห่ง โดยที่ความเร็วในการหมุนรอบตัวเองของดาวฤกษ์รอบนอกสุดนั้นไม่ได้ “หลุดออก” ตามระยะทาง แต่ยังคงอยู่ในระดับราบ
ข้อสังเกตเหล่านี้ขัดแย้งโดยตรงกับแรงโน้มถ่วงของนิวตัน ซึ่งควรเป็นจริงในพื้นที่นอกดาราจักร เช่นเดียวกับที่เกิดบนโลกและในระบบสุริยะ แต่ด้วยการสันนิษฐานว่ามี “รัศมี” ของสสารที่มองไม่เห็นในและรอบๆ โครงสร้างกาแลคซี กฎกำลังสองผกผันที่นิวตันคุ้นเคยจึงได้รับการฟื้นฟู
แม้ว่าจะฝังแน่นอยู่ในจักรวาลวิทยาสมัยใหม่ แต่นักฟิสิกส์หลายคนมองว่าสสารมืดเป็นปัจจัยเหลวไหล “นักดาราศาสตร์ไม่รู้ว่าสสารมืดคืออะไร” “มันเป็นสิ่งที่จำเป็นในการอธิบายข้อมูล มากกว่าการทำนายพื้นฐานของฟิสิกส์ของอนุภาคอย่างที่เคยเป็นมา” สถานการณ์นี้ชวนให้นึกถึงนักดาราศาสตร์คนหนึ่ง
ที่เผชิญหน้า
กับนักดาราศาสตร์ในทศวรรษที่ 1840 ซึ่งพยายามอธิบายความผิดปกติในวงโคจรของดาวยูเรนัสโดยอ้างว่าเป็นดาวเคราะห์นอกระบบดวงใหม่แทนที่จะเป็นเศษกฎของนิวตัน แน่นอนว่าความแตกต่างที่สำคัญคือดาวเนปจูนถูกค้นพบหลังจากนั้นไม่นาน ในขณะที่สสารมืดยังคงเป็นสิ่งที่เข้าใจยาก
แม้จะมีการค้นหาอย่างทุ่มเทหลายปี อย่างไรก็ตาม ในปี 1983 ซึ่งปัจจุบันอยู่ที่สถาบัน ในอิสราเอล อ้างว่าเขาสามารถอธิบายการหมุนรอบตัวเองที่ผิดปกติของกาแลคซีโดยไม่ต้องเรียกสสารมืด ในทางกลับกัน เขาแก้ไขสูตรของนิวตันเพื่อให้ภายใต้สถานการณ์บางอย่าง แรงโน้มถ่วงระหว่างวัตถุสองวัตถุ
จะสลายตัวอย่างนุ่มนวลกว่ากำลังสองผกผันของระยะห่างระหว่างวัตถุทั้งสอง คุณสมบัติที่สำคัญของทฤษฎี ซึ่งเรียกว่าการเปลี่ยนแปลง คือลักษณะการทำงานที่ถูกดัดแปลงจะเริ่มขึ้นในระดับที่ต่ำกว่าความเร่งที่กำหนด แทนที่จะเป็นระยะทาง น่าทึ่งมาก สามารถตั้งค่าของพารามิเตอร์สากลนี้
อธิบายไดนามิกของกาแลคซีได้ดีมาก ในขณะที่รักษาแรงโน้มถ่วงแบบนิวตันไว้ที่อื่น แต่ทฤษฎีแรงโน้มถ่วงทางเลือกใดๆ ที่คุ้มค่ากับเกลือของมันนั้นต้องคำนึงถึงมากกว่าแค่พลวัตของกาแลคซี โดยเฉพาะอย่างยิ่ง จะต้องสามารถอธิบายวิธีที่แสงโค้งงอโดยวัตถุขนาดใหญ่ ซึ่งเป็นการทำนายทฤษฎีสัมพัทธภาพ
ทั่วไปที่เป็นศูนย์กลางซึ่งได้รับการยืนยันอย่างมากในช่วงสุริยุปราคาปี 1919 การแสดงให้เห็นที่โดดเด่นที่สุดของผลกระทบนี้คือเลนส์ความโน้มถ่วง ซึ่งดาราจักรหรือ กระจุกดาราจักรทำให้แสงจากวัตถุพื้นหลังดูเหมือนมาจากแหล่งต่างๆ กัน อย่างไรก็ตาม เช่นเดียวกับไดนามิกของกาแล็กซี
ทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปไม่สามารถอธิบายถึงความแข็งแกร่งของเลนส์ความโน้มถ่วงบางชนิดได้ โดยไม่ต้องเพิ่มการกระจายตัวของสสารมืดอย่างเหมาะสม “ด้วยมือ” ด้วยรากฐานของกลศาสตร์นิวตัน จึงหมดหวังที่จะอธิบายการดัดของแสง ยิ่งไปกว่านั้น สูตรง่ายๆ
ยังละเมิดกฎพื้นฐานทางฟิสิกส์หลายข้อ เช่น การอนุรักษ์โมเมนตัม สิ่งนี้กระตุ้นให้นักทฤษฎีในทศวรรษที่ 1980 และ 1990 โดยเฉพาะอย่างยิ่ง ในเนเธอร์แลนด์ ตั้งเป้าหมายในการเปลี่ยน ให้เป็นทฤษฎีที่เต็มเปี่ยม สิ่งนี้ถึงจุดสูงสุดในปี 2547 เวอร์ชันเชิงสัมพัทธภาพที่เรียกว่า ทฤษฎีเวกเตอร์สเกลาร์ของเทนเซอร์ หรือ TeVeS ทฤษฎีนี้ทำให้นักดาราศาสตร์ นักดาราศาสตร์ฟิสิกส์
