Nie można zaprzeczyć ogromnej mocy predykcyjnej teorii grawitacji i ogólnej teorii względności Alberta Einsteina z 1915 r., jednakże w teorii tej nadal występują niespójności, jeśli chodzi o obliczanie jej wpływu na duże odległości. Nowe badania sugerują, że te rozbieżności mogą być wynikiem „kosmicznego braku równowagi” samej grawitacji.
W ciągu 109 lat od pierwszego sformułowania ogólna teoria względności pozostaje najlepszym opisem grawitacji w skali galaktycznej; Eksperymenty wielokrotnie potwierdziły jego dokładność. Teorię tę wykorzystano także do przewidywania aspektów wszechświata, które później zostały potwierdzone obserwacjami. Należą do nich Wielki Wybuch, istnienie czarnych dziur, grawitacyjne soczewkowanie światła i drobne zmarszczki w czasoprzestrzeni zwane falami grawitacyjnymi.
Jednakże, podobnie jak teoria grawitacji Newtona, która ją przewyższała, ogólna teoria względności może nie dać nam pełnego obrazu tej tajemniczej siły.
„Ten model grawitacji był niezbędny we wszystkim, od teorii Wielkiego Wybuchu po obrazowanie czarnych dziur” – stwierdziła w oświadczeniu Robin Wen z Wydziału Fizyki Matematycznej Uniwersytetu Waterloo. „Ale kiedy próbujemy zrozumieć grawitację na poziomie kosmicznym, na poziomie gromad galaktyk i poza nią, napotykamy wyraźne sprzeczności z przewidywaniami ogólnej teorii względności”.
Powiązany: Grawitacja kwantowa może pomóc w ostatecznym ujednoliceniu mechaniki kwantowej z ogólną teorią względności
„Grawitacja słabnie o około jeden procent, gdy mamy do czynienia z odległościami miliardów lat świetlnych” – powiedział Wen. „Nazywamy tę rozbieżność «kosmiczną usterką». To tak, jakby sama grawitacja całkowicie przestała odpowiadać teorii Einsteina”.
Kosmiczne zakłócenie opisane przez zespół wymagałoby zmiany wartości zwanej stałą grawitacji. Zmiana ta nastąpi, gdy obliczenia zbliżą się do „hiperhoryzontu”, czyli najdalszej odległości, jaką światło było w stanie pokonać od początku wszechświata.
Zespół twierdzi, że tej modyfikacji można dokonać poprzez dodanie jednego rozszerzenia do standardowego modelu kosmologicznego. Model ten znany jest jako model lambda zimnej ciemnej materii. Po zakończeniu modyfikacja powinna wyeliminować rozbieżności w pomiarach na poziomach kosmologicznych, bez wpływu na obecne udane zastosowania ogólnej teorii względności.
Co to jest ogólna teoria względności i czy może być błędna?
Odkrycie ogólnej teorii względności było o tyle rewolucyjne, ponieważ zamiast opisywać grawitację jako tajemniczą siłę, postulował, że grawitacja wynika z krzywizny tkanki przestrzeni i czasu, zjednoczonych w jedną całość zwaną „czasoprzestrzenią”. Einstein zdał sobie sprawę, że tę krzywiznę tworzą obiekty posiadające masę.
Wyobraź sobie, że na rozciągniętym arkuszu gumy umieszczasz kulki o rosnącej masie. Piłka tenisowa zrobiłaby małe, prawie niezauważalne wgniecenie; Piłka do krykieta spowodowałaby bardziej zauważalne wgniecenie; Kula do kręgli wywołałaby ogromną krzywiznę, która prawdopodobnie przyciągnęłaby do niej wszystko inne na prześcieradle. To samo dotyczy obiektów w przestrzeni, chociaż zakrzywienie czasoprzestrzeni istnieje w czterech wymiarach, więc istnieją pewne kluczowe różnice. Jednak księżyce mają mniejszą masę niż planety, planety mają mniejszą masę niż gwiazdy, a gwiazdy mają mniejszą masę niż galaktyki, więc działanie grawitacyjne tych ciał niebieskich odpowiednio wzrasta.
Teoria grawitacji Einsteina była następcą teorii Newtona, chociaż ta ostatnia nadal dobrze sprawdza się w skalach ziemskich i jest wystarczająco dokładna, aby dostarczyć rakiety na Księżyc. Jednakże teoria Einsteina mogła wyjaśnić rzeczy, których nie potrafiła teoria Newtona, na przykład dziwną orbitę Merkurego wokół Słońca.
To nie był dokładnie Newton błąd Jeśli chodzi o grawitację, nie miał racji co do skali planet, gwiazd i galaktyk.
Ale czy ogólna teoria względności jest błędna?
Cóż, może nie. Teoria była bardzo dokładna w przewidywaniu aspektów wszechświata, o których nic nie wiedzieliśmy. Na przykład pierwsze zdjęcie czarnej dziury wykonane przez Teleskop Horyzontu Zdarzeń zostało upublicznione w kwietniu 2019 r. Zdjęcie to było nieco szokujące ze względu na podobieństwo wyglądu supermasywnej czarnej dziury M87* do przewidywań ogólnej teorii względności.
Naukowcy zdają sobie jednak sprawę, że istnieją pewne problemy związane z ogólną teorią względności, które mogą ostatecznie wymagać rewizji. Na przykład teoria nie łączy się z mechaniką kwantową; Nasz najlepszy opis fizyki dotyczy podstawowych poziomów mniejszych niż atom. Dzieje się tak głównie dlatego, że obecnie nie ma teorii kwantowej opisującej grawitację.
Zatem modyfikacje ogólnej teorii względności w pewnym momencie w celu „rozszerzenia” jej zakresu na najmniejsze skale wszechświata – a według tego zespołu także największe – wydają się nieuniknione.
Przez dziesięciolecia badacze próbowali stworzyć model matematyczny, który pomógłby ogólnej teorii względności przezwyciężyć jej sprzeczności, a matematycy stosowani i astrofizycy z Uniwersytetu Waterloo byli głęboko zaangażowani w to przedsięwzięcie.
Zmienić ogólną teorię względności? Co!
Jeśli pomysł zrewidowania ogólnej teorii względności brzmi jak herezja, należy wziąć pod uwagę, że nie byłby to pierwszy przypadek modyfikacji związanych z nią teorii.
Wkrótce po tym, jak Einstein po raz pierwszy przedstawił tę teorię, on i inni rozszerzyli ją, aby opracować równanie opisujące stan wszechświata. W wyniku ogólnej teorii względności równanie to przewidywało, że Wszechświat powinien się zmienić. Problem polegał na ówczesnym konsensusie naukowym, że Wszechświat jest statyczny. Chociaż Einsteinowi nie było obce przekształcanie status quo w stan ciągłych zmian, akurat zgodził się z tym niezmiennym obrazem kosmosu.
Aby zapewnić przewidywanie statycznego wszechświata na podstawie ogólnej teorii względności, Einstein dodał „współczynnik korygujący”, który później określił jako „swój największy błąd”: jest on znany jako stała kosmologiczna oznaczona grecką literą lambda. Stała została usunięta z myśli, gdy Edwin Hubble przekonał Einsteina, że wszechświat nie jest statyczny. Powiedział, że się rozwija. O ile dzisiaj wiemy, Hubble miał rację.
Jednak lambda faktycznie powróci. Zacznie pełnić inną funkcję pod koniec XX wieku, kiedy astronomowie odkryją, że Wszechświat nie tylko się rozszerza, ale robi to w coraz szybszym tempie.
„Niemal sto lat temu astronomowie odkryli, że nasz wszechświat się rozszerza” – stwierdził w oświadczeniu Niayesh Afsharid, profesor astrofizyki na Uniwersytecie Waterloo i badacz w Ocean Institute. „Im dalej znajdują się galaktyki, tym szybciej się poruszają, aż do punktu, w którym wydaje się, że poruszają się z prędkością bliską prędkości światła, czyli maksymalnej dozwolonej przez teorię Einsteina. Nasze odkrycia sugerują, że w tych samych skalach teoria Einsteina może również nie wystarczy.”
Propozycja zespołu z Uniwersytetu Waterloo dotycząca „kosmicznej usterki” modulującej grawitację na ogromnych odległościach rozszerza wzory matematyczne Einsteina, aby rozwiązać ten problem bez „obalania” teorii.
„Potraktuj to jako przypis do teorii Einsteina” – powiedziała Wen. „Gdy dotrzesz do Królestwa Kosmicznego, obowiązują zasady i warunki.”
Badacze stojący za tą teorią kosmicznej usterki sugerują, że przyszłe obserwacje wielkoskalowej struktury Wszechświata oraz pola globalnego promieniowania „kopalnego” zwanego kosmicznym mikrofalowym tłem (CMB) pochodzącego z wydarzenia, które miało miejsce wkrótce po Wielkim Wybuchu, mogą rzucić światło na czy kosmiczne zakłócenia w Grawitacji są odpowiedzialne za obecne „kosmiczne napięcia”.
Może to obejmować fakt, że teoria kwantowa podaje wartość lambda, która jest niesamowitym współczynnikiem 10¹²¹ (10 i 120 zer), który jest większy, niż pokazują obserwacje astronomiczne (nic dziwnego, że niektórzy fizycy nazywają to „najgorszą prognozą teoretyczną w historii wszechświata” ”). Fizyka!”).
„Ten nowy model może być dopiero pierwszym dowodem w kosmicznej zagadce, którą zaczynamy rozwikłać w przestrzeni i czasie” – podsumował Afshordi.
Badania zespołu pojawiają się w Journal of Cosmology i Astrofizyki Cząstek.
„Nagradzany beeraholik. Fan Twittera. Podróżnik. Miłośnik jedzenia.