Keplers glemte ideer om symmetri hjælper med at forklare spiralgalakser uden behov for mørkt stof

Astronomen Johannes Kepler fra 1600-tallet var den første, der muse om snefnugers struktur. Hvorfor er de så symmetriske? Hvordan ved den ene side, hvor længe den modsatte side er vokset? Kepler troede, det var helt ned til, hvad vi nu ville kalde et "morfogent felt" - at tingene vil have at have den form, de har. Videnskaben har siden diskonteret denne idé. Men spørgsmålet om, hvorfor snefnug og lignende strukturer er så symmetriske, er ikke desto mindre ikke helt forstået.

Moderne videnskab viser, hvor grundlæggende spørgsmålet er:se på alle spiralgalakser derude. De kan have en halv million lysår på tværs, men de bevarer stadig deres symmetri. Hvordan? I vores nye undersøgelse, udgivet i Videnskabelige rapporter , præsenterer vi en forklaring.

Vi har vist, at information og "entropi"-et mål for systemets lidelse-er forbundet med hinanden ("info-entropi") på en måde, der er helt analog med elektriske og magnetiske felter ("elektromagnetisme"). Elektriske strømme producerer magnetfelter, mens skiftende magnetfelter producerer elektriske strømme. Information og entropi påvirker hinanden på samme måde.

Entropi er et grundlæggende begreb i fysik. For eksempel, fordi entropi aldrig kan falde (lidelse stiger altid) kan du gøre et æg til røræg, men ikke omvendt. Hvis du flytter oplysninger rundt, skal du også øge entropien - et telefonopkald koster en entropi.

Vi viste, at entropi og information kan behandles som et felt, og at de er relateret til geometri. Tænk på de to tråde af DNA -dobbeltspiralen, der snor sig om hinanden. Lysbølger har samme struktur, hvor de to tråde er de elektriske og magnetiske felter. Vi viste matematisk, at forholdet mellem information og entropi kan visualiseres ved hjælp af den samme geometri.

Vi ville se, om vores teori kunne forudsige ting i den virkelige verden, og besluttede at prøve at beregne, hvor meget energi du skulle bruge for at konvertere en form for DNA til en anden. DNA er trods alt en spiral og en form for information.

Dette blev faktisk udført i overordentlig præcise målinger for omkring 16 år siden. Forskerne trak et DNA -molekyle lige (DNA kan godt lide at krølle sammen), og vred det 4, 800 omdrejninger, mens du holder enderne med optisk pincet. DNA'et vendte fra en form til en anden, som på billedet ovenfor. Forskerne kunne derefter beregne energiforskellen mellem de to former.

Men vores teori kunne beregne denne energiforskel, også. Vi kendte entropien for hver af de to versioner af dette DNA -molekyle, og energien er simpelthen produktet af entropi og temperatur. Vores resultat var helt i orden - teorien syntes at holde op.

Fra lille til enorm

Spiralgalakser er dobbeltspiraler ligesom DNA er en dobbeltspiral - matematisk set har de lignende geometrier.

Vores teori viser direkte, hvorfor spiralgalaksernes to arme er symmetriske-det er fordi info-entropifelter giver anledning til kræfter (som andre felter). Stjernerne i galaksen er simpelthen koreograferet af en entropisk kraft for at stille sig op i et par af sådanne spiraler for at maksimere entropi.

Men vi ville have nogle rigtige tal, også. Vi besluttede derfor at prøve at beregne massen af ​​vores galakse ud fra vores teori. Vi ved, hvor tung Mælkevejen ser ud til at være fra, hvor hurtigt stjernerne bevæger sig nær den galaktiske kant - det er omkring 1,3 billioner solmasser.

Mærkeligt, dette er faktisk meget mere end massen af ​​alle de synlige stjerner i galaksen. For at kunne forklare denne uoverensstemmelse og redegøre for, hvorfor stjerner bevæger sig så meget hurtigere end forventet, astronomer kom på ideen om "mørkt stof" - uset masse, der lurer i galaksen, øger dens tyngdekraft på stjernerne.

Vi havde brug for at kende galaksens entropi til vores beregninger. Heldigvis den matematiske fysiker Roger Penrose viste, at denne entropi er domineret af entropien i dens centrale super-massive sorte hul.

Vi kender massen af ​​dette sorte hul (4,3 m solmasser). Og overraskende, når du kender massen af ​​et sort hul, der er en ligning, opdaget af den afdøde fysiker Stephen Hawking, der beregner dens entropi. Hawking opdagede også, hvordan man beregner "temperaturen" på overfladen, eller "begivenhedshorisont".

Hvis du kan tildele en "temperatur" til det sorte huls hændelseshorisont - som ikke har ting i sig for at have temperatur - hvorfor ikke også tildele en temperatur til en galakse? Vi hævder i vores papir, at dette er rimeligt (ved hjælp af det, der er kendt som det "holografiske princip"). Så vi brugte vores info-entropi-ligninger til at beregne galaksens holografiske temperatur.

Så bliver det let. Vi ved, at den galaktiske energi er givet af produktet af dens entropi og temperatur. Og når vi kender energien, kan vi finde massen takket være Einsteins berømte ligning:E ​​=mc ² .

Denne gang var resultatet ikke ligefrem spot on, men det var rimeligt tæt givet vores meget forenklede model af galaksen. Den info-entropiske geometri i en galakse forklarer ikke kun, hvordan entropiske kræfter skaber den smukt symmetriske form og bevarer den, men tegner sig også for al den masse, der synes at være tydelig i den.

Det betyder, at vi faktisk ikke har brug for mørkt stof. Ifølge vores model, den galaktiske entropi giver anledning til en så stor mængde ekstra energi, at den ændrer den observerede dynamik i galaksen - hvilket får stjerner ved kanten til at bevæge sig hurtigere end forventet. Det var præcis det, mørkt stof skulle forklare. Energien er ikke direkte observerbar som masse, men dens tilstedeværelse understøttes bestemt af de astronomiske observationer - forklarer, hvorfor søgninger i mørkt stof hidtil ikke har fundet noget.

Der er dog meget forskning, der understøtter ideen om mørkt stof. Vores teori foreslår en alternativ forklaring af observationerne, og behøver ingen ny fysik. Selvfølgelig, mere detaljeret arbejde er nødvendigt for at verificere, at den sande kompleksitet af observationer også kan modelleres med succes.

Vi tror, ​​at det "morfogene felt", Kepler søgte, virkelig eksisterer, og er faktisk effekten af ​​sammenflettningen af ​​information og entropi. Efter fire lange århundreder, det ser ud til, at Kepler endelig er blevet retfærdiggjort.

Denne artikel er genudgivet fra The Conversation under en Creative Commons -licens. Læs den originale artikel.