Що таке гравітація без маси? І революційні закони Ньютона, що описують її універсальний ефект, і пропозиція Ейнштейна про ямчастий простір-час, ми думали, що гравітація належить виключно до сфери матерії. Тепер дивне нове дослідження свідчить про те, що гравітація може існувати без маси, зручно усуваючи потребу в одній із найбільш невловимих речовин у нашому Всесвіті: темній матерії.
Темна матерія — це гіпотетична невидима маса, яка, як вважають, становить 85 відсотків загальної маси Всесвіту. Спочатку розроблений для пояснення того, що галактики тримаються разом під час високошвидкісного обертання, він ще не спостерігався безпосередньо, що змусило фізиків запропонувати всілякі ідеї, щоб уникнути використання цього невловимого матеріалу як способу закрити прогалини в поточних теоріях.
Остання пропозиція в цьому ключі надійшла від астрофізика Річарда Лью з Університету Алабами в Хантсвіллі, який припустив, що замість темної матерії, яка зв’язує галактики та інші тіла, Всесвіт може містити тонкі, схожі на оболонки шари «топологічних дефектів», які викликають гравітацію без будь-якої основної маси.
Ліє почав зі спроби знайти інший розв’язок рівнянь поля Ейнштейна, які пов’язують кривизну простору-часу з наявністю в ньому матерії.
Як описав Ейнштейн у своїй загальній теорії відносності 1915 року, простір-час викривляється навколо пучків матерії та потоків випромінювання у Всесвіті залежно від їх енергії та імпульсу. Ця енергія, звичайно, пов’язана з масою у відомому рівнянні Ейнштейна: E=mc2.
Таким чином, маса об’єкта пов’язана з його енергією, яка спотворює простір-час – і це викривлення простору-часу є те, що Ейнштейн описав як гравітацію, дещо складнішу, ніж наближення Ньютона 17-го століття про гравітацію як силу між двома об’єктами з масою. . Іншими словами, сила тяжіння здається нерозривно пов’язаною з масою.
Це не так, вважає Лью.
У своїх роботах Ліє взявся за вирішення спрощеної версії рівнянь поля Ейнштейна, яка враховує кінцеву силу тяжіння за відсутності будь-якої виявленої маси. Він каже, що його зусилля були «зумовлені моїм розчаруванням у статус-кво, а саме уявлення про існування темної матерії, незважаючи на відсутність будь-яких прямих доказів протягом цілого століття».
Рішення Ліє складається з топологічних дефектів у формі оболонки, які можуть виникнути в дуже компактних областях простору з дуже високою щільністю речовини. Ці набори концентричних оболонок містять тонкий шар позитивної маси, заправленої всередину зовнішнього шару негативної маси. Дві маси компенсують одна одну, тому загальна маса двох шарів точно дорівнює нулю. Але коли зірка лежить на цій оболонці, вона відчуває велику гравітаційну силу, яка тягне її до центру оболонки.
«Твердження моєї статті полягає в тому, що принаймні снаряди, які вона вважає, не мають маси», — каже Ліє. Якщо ці суперечливі припущення мають хоч якусь вагу, «тоді немає потреби продовжувати цей, здавалося б, нескінченний пошук темної матерії», додає Ліє.
Отже, наступне питання полягає в тому, як можливо підтвердити або спростувати снаряди, запропоновані Ліє за допомогою спостережень.
«Зростаюча частота спостережень за кільцевими та оболонковими утвореннями галактик у Всесвіті свідчить про тип джерела, який пропонується тут», — пише Лієу у своїй статті. Хоча він визнає, що запропоноване ним рішення є «дуже натякаючим» і не може само по собі дискредитувати гіпотезу темної матерії.
«У кращому випадку це може бути цікава математична вправа», — підсумовує Лью . «Але це перший [математичний] доказ того, що гравітація може існувати без маси». Дослідження опубліковано в Monthly Notices of the Royal Astronomical Society.