Модифицированная ньютоновская динамика

 

В физике, Модифицированная ньютоновская динамика (MOND) - гипотеза, предлагающая изменение в законе тяготения Ньютона, объясняющее вращение галактик. Когда постоянная скорость обращения галактик была впервые обнаружена, это было неожиданно, так как ньютоновская теория гравитации предсказывает, что чем дальше объект, тем меньше его скорость. Например, для орбит планет солнечной системы скорость убывает с увеличением расстояния до Солнца. MOND была предложена Мордехаем Милгромом (англ. Mordehai Milgrom) в 1983, для того чтобы смоделировать наблюдаемые постоянные скорости вращения. Милгром заметил, что ньютоновская сила гравитации подтверждена только для больших ускорений, и предположил, что для малых ускорений может не работать. MOND теория устанавливает, что ускорение зависит нелинейно от массы для малых ускорений.

Наблюдения скорости вращения спиральных галактик начались в 1978 году. В начале 1980-х было ясно, что галактики не демонстрируют ту же картину снижения орбитальной скорости с увеличением расстояния от центра масс, которая наблюдается в солнечной системе. Спиральная галактика состоит из утолщения из звёзд в центре и огромного диска из звезд, вращающихся вокруг центральной группы. Если орбиты звезды подчиняются исключительно силе тяготения и наблюдаемого распределения обычного вещества, предполагалось, что звезды на внешнем крае диска будут иметь значительно более низкую орбитальную скорость, чем звёзды в середине. В наблюдаемых галактиках эта закономерность не прослеживается. Звезды около внешнего края вращаются вокруг центра галактики с той же скоростью, что и звезды ближе к середине.

 

Рисунок 1 - Ожидаемая (A) и наблюдаемая (B) скорость звёзд, как функция расстояния от центра галактики.

 

Пунктирной кривой на Рис.1, слева показана предсказанная орбитальная скорость, как функция расстояния от центра галактики без учёта MOND и темной материи. Сплошной кривой B показано, наблюдаемое распределение. Вместо того, чтобы снизиться асимптотически до нуля, эта кривая, с ослабеванием действия гравитации, остаётся плоской, показывая одинаковую скорость при увеличении расстояния от центра. Астрономы называют это явление «уплощение кривых вращения галактик».

Ученые предположили, что плоскость кривых вращения галактик вызывается веществом находящимся за пределами видимого диска галактик. Поскольку все крупные галактики показывают те же характеристики, крупные галактики должны, согласно этим рассуждениям, быть окутаны невидимой «темной» материей.

В 1983 году, Мордехай Милгром, физик из Вейцмановского Института в Израиле, опубликовали три статьи в Astrophysical Journal с предложением внести изменения в Закон всемирного тяготения Ньютона. На самом деле, Милгром предоставил несколько интерпретаций его предложению, одна из них является модификацией Второго закона движения Ньютона. Однако, это предлагаемое толкование противоречит закону сохранения импульса и требует некоторых нетрадиционных физических допущений, чтобы добиться правдоподобия. Вторая интерпретация, как изменение закона гравитации, требует, чтобы ускорение за счет силы тяжести зависело не просто от массы m, а от m/μ (a/a₀), где μ - некоторая функция, величина которой стремится к единице для больших аргументов и к a/a₀ для малых аргументов, a - ускорение, обусловленное силой тяжести, а a₀ является константой, a₀ ≈ 10− 10 m/с2.

Центростремительное ускорение звезд и газовых облаков на окраине спиральных галактик, как правило, будет ниже a₀. Точная форма µ не указана, только его поведение, когда аргумент a/a₀ малый или большой. Как Милгром доказал в своих статьях, форма µ не меняет большинство следствий из теории, таких как уплощение кривых вращения.

В повседневном мире, a гораздо больше, чем a₀ для всех физических эффектов, поэтому µ(a/a₀)=1 и F=ma как обычно. Следовательно, изменения в законе всемирного тяготения Ньютона являются незначительными, и Ньютон не мог их видеть.

Вдалеке от центра галактики, сила тяготения движения звезд равна, с хорошим приближением:

 

 

где G - гравитационная постоянная, М - масса галактики, m - масса звезды, а r - расстояние между центром и звездой. Используя новый закон динамики получаем:

 

 

Исключая m получаем:

 

 

Предполагаем, что при большом расстоянии r, a меньше, чем a₀,

 

 

Так как уравнение, которое связывает скорость с ускорением для круговой орбиты -, то получаем:

 

 

 

Следовательно, скорость звезд на круговой орбите далеко от центра является постоянной и не зависит от расстояния r: кривая вращения является плоской.

В то же время, существует четкая взаимосвязь между скоростью и постоянной a₀. Уравнение v=(Gmа₀)1/4 позволяет рассчитать a₀ из наблюдаемых v и М. Милгром вывел -a₀=1.2× 10^-10 ms^-2.

Чтобы объяснить значение этой константы, Милгром сказал: «… Это приблизительно то ускорение, которое нужно объекту, чтобы разогнаться от состояния покоя до скорости света за время существования вселенной. Также оно близко к недавно обнаруженному ускорению вселенной».

Тем не менее, воздействие от предполагаемого значения a> > a₀ на физические процессы на Землю остается в силе. Если бы a0 было больше, последствия этого были бы видны на Земле, и, поскольку это не так, новая теория была бы противоречивой.стоит особняком от широко распространённых теорий тёмной материи. Теория тёмной материи предполагает наличие в каждой галактике не определённого ещё типа материи, что обеспечивает распределение массы, отличное от наблюдаемого для обычного вещества. Эта тёмная материя изменяет гравитацию в случае однородных скоростей вращения.

⇐ Предыдущая123456Следующая ⇒

Поделиться: