Οι επιστήμονες δοκίμασαν τη σχετικότητα του Αϊνστάιν σε κοσμολογική κλίμακα και βρήκαν κάτι περίεργο: ScienceAlert

Τα πάντα στο σύμπαν έχουν βαρύτητα – και την αισθάνονται επίσης. Ωστόσο, είναι επίσης αυτή η πιο κοινή θεμελιώδης δύναμη που παρουσιάζει τις μεγαλύτερες προκλήσεις στους φυσικούς.

Η γενική θεωρία της σχετικότητας του Άλμπερτ Αϊνστάιν Ήταν εξαιρετικά επιτυχημένο στην περιγραφή της βαρυτικής έλξης των αστεριών και των πλανητών, αλλά δεν φαίνεται να είναι απολύτως αληθινό σε όλες τις κλίμακες.

γενική σχετικότητα Πέρασε πολλά χρόνια τεστ παρατήρησης, από Μέτρηση Eddington Από τη διάθλαση του αστρικού φωτός από τον ήλιο το 1919 έως Σύγχρονη ανίχνευση βαρυτικών κυμάτων.

Ωστόσο, κενά στην κατανόησή μας αρχίζουν να εμφανίζονται όταν προσπαθούμε να το εφαρμόσουμε σε πολύ μικρές αποστάσεις και πού Οι νόμοι της κβαντικής μηχανικής λειτουργούνή όταν προσπαθούμε να περιγράψουμε ολόκληρο το σύμπαν.

Η νέα μας μελέτη, Δημοσιεύτηκε στο φυσική αστρονομίαΤώρα έχει δοκιμάσει τη θεωρία του Αϊνστάιν στη μεγαλύτερη κλίμακα.

Πιστεύουμε ότι η προσέγγισή μας μπορεί μια μέρα να βοηθήσει στην επίλυση μερικών από τα μεγαλύτερα μυστήρια στην κοσμολογία και τα αποτελέσματα υποδηλώνουν ότι η γενική σχετικότητα μπορεί να χρειαστεί να τροποποιηθεί σε αυτήν την κλίμακα.

ελαττωματικό μοντέλο;

Η κβαντική θεωρία προβλέπει ότι ο κενός χώρος, το κενό, είναι γεμάτος ενέργεια. Δεν παρατηρούμε την παρουσία τους επειδή οι συσκευές μας μπορούν να μετρήσουν μόνο τις αλλαγές στην ενέργεια και όχι τη συνολική τους ποσότητα.

Ωστόσο, σύμφωνα με τον Αϊνστάιν, η ενέργεια του κενού έχει μια απωθητική έλξη – απομακρύνει τον κενό χώρο. Είναι ενδιαφέρον ότι το 1998, ανακαλύφθηκε ότι η διαστολή του σύμπαντος στην πραγματικότητα επιταχύνεται (μια ανακάλυψη που έγινε με Βραβείο Νόμπελ Φυσικής 2011).

Ωστόσο, η ποσότητα της ενέργειας του κενού, ή σκοτεινή ενέργεια Όπως έχει ονομαστεί, είναι απαραίτητο να εξηγήσουμε ότι η επιτάχυνση είναι πολλές τάξεις μεγέθους μικρότερη από αυτό που προβλέπει η κβαντική θεωρία.

Ως εκ τούτου, το μεγάλο ερώτημα, που ονομάστηκε “Παλαιό Κοσμολογικό Σταθερό Πρόβλημα”, είναι εάν η ενέργεια του κενού έλκεται πραγματικά – προκαλώντας τη δύναμη της βαρύτητας και μεταβάλλοντας τη διαστολή του σύμπαντος.

Εάν ναι, γιατί η έλξη του είναι πολύ πιο αδύναμη από το αναμενόμενο; Εάν ένα κενό δεν έλκεται καθόλου, τι προκαλεί την κοσμική επιτάχυνση;

Δεν γνωρίζουμε τι είναι η σκοτεινή ενέργεια, αλλά πρέπει να υποθέσουμε την ύπαρξή της για να εξηγήσουμε τη διαστολή του σύμπαντος.

Ομοίως, πρέπει επίσης να υποθέσουμε ότι υπάρχει κάποιο είδος ύπαρξης αόρατης ύλης μεταγλωττισμένης σκοτεινή ύληΓια να εξηγήσουμε πώς οι γαλαξίες και τα σμήνη εξελίχθηκαν έτσι όπως τα παρατηρούμε σήμερα.

Αυτές οι υποθέσεις έχουν ενσωματωθεί στην τυπική κοσμολογική θεωρία των επιστημόνων, που ονομάζεται Μοντέλο Λάμδα της Ψυχρής Σκοτεινής Ύλης (LCDM) – το οποίο υποδηλώνει ότι υπάρχει 70 τοις εκατό της σκοτεινής ενέργειας, το 25 τοις εκατό της σκοτεινής ύλης και το 5 τοις εκατό της συνηθισμένης ύλης στο σύμπαν. Αυτό το μοντέλο ήταν εξαιρετικά επιτυχημένο στην προσαρμογή όλων των δεδομένων που έχουν συλλέξει οι κοσμολόγοι τα τελευταία 20 χρόνια.

Αλλά το γεγονός ότι το μεγαλύτερο μέρος του σύμπαντος αποτελείται από δυνάμεις και σκοτεινή ύλη, που παίρνουν περίεργες, ανούσιες αξίες, έχει οδηγήσει πολλούς φυσικούς να αναρωτηθούν εάν η θεωρία της βαρύτητας του Αϊνστάιν πρέπει να τροποποιηθεί για να περιγράψει ολόκληρο το σύμπαν.

Μια νέα εξέλιξη εμφανίστηκε πριν από μερικά χρόνια, όταν έγινε φανερό ότι διαφορετικοί τρόποι μέτρησης του ρυθμού της κοσμικής διαστολής, που ονομάζονται Σταθερά Hubbleδώστε διαφορετικές απαντήσεις – ένα πρόβλημα γνωστό ως Ένταση Hubble.

Διαφωνία ή ένταση μεταξύ δύο τιμών της σταθεράς Hubble.

Ο πρώτος είναι ο αριθμός που προβλέπεται από το κοσμολογικό μοντέλο LCDM, το οποίο αναπτύχθηκε για να ταιριάζει Το φως που άφησε η Μεγάλη Έκρηξη (Ο κοσμικό φόντο μικροκυμάτων ακτινοβολία).

Το άλλο είναι ο ρυθμός διαστολής, ο οποίος μετριέται με την παρατήρηση σουπερνόβα σε μακρινούς γαλαξίες.

Πολλές θεωρητικές ιδέες για μεθόδους διαμόρφωσης LCDM έχουν προταθεί για να εξηγήσουν την τάση Hubble. Μεταξύ αυτών είναι και εναλλακτικές θεωρίες της βαρύτητας.

Ψάχνοντας για απαντήσεις

Μπορούμε να σχεδιάσουμε τεστ για να ελέγξουμε αν το σύμπαν υπακούει στους κανόνες της θεωρίας του Αϊνστάιν.

Η Γενική Σχετικότητα περιγράφει τη βαρύτητα ως την καμπυλότητα ή την εκτροπή του χώρου και του χρόνου, η οποία κάμπτει τα μονοπάτια κατά μήκος των οποίων ταξιδεύουν το φως και η ύλη. Είναι σημαντικό ότι προβλέπει ότι τα μονοπάτια του φωτός και των ακτίνων της ύλης θα πρέπει να κάμπτονται από τη βαρύτητα με τον ίδιο τρόπο.

Μαζί με μια ομάδα κοσμολόγων, δοκιμάσαμε τους θεμελιώδεις νόμους της γενικής σχετικότητας. Εξερευνήσαμε επίσης εάν η τροποποίηση της θεωρίας του Αϊνστάιν θα μπορούσε να βοηθήσει στην επίλυση ορισμένων ανοιχτών προβλημάτων στην κοσμολογία, όπως η ένταση του Hubble.

Για να μάθουμε εάν η γενική σχετικότητα είναι αληθινή σε μεγάλες κλίμακες, ξεκινήσαμε, για πρώτη φορά, να διερευνήσουμε τρεις πτυχές της ταυτόχρονα. Αυτά ήταν η διαστολή του σύμπαντος, οι επιπτώσεις της βαρύτητας στο φως και οι επιπτώσεις της βαρύτητας στην ύλη.

Χρησιμοποιώντας μια στατιστική μέθοδο γνωστή ως συμπέρασμα Bayes, ανακατασκευάσαμε τη βαρύτητα του σύμπαντος μέσω της κοσμικής ιστορίας σε ένα μοντέλο υπολογιστή που βασίζεται σε αυτές τις τρεις παραμέτρους.

Μπορούμε να υπολογίσουμε παραμέτρους χρησιμοποιώντας δεδομένα υποβάθρου κοσμικών μικροκυμάτων από τον δορυφόρο Planck, καταλόγους σουπερνόβα καθώς και παρατηρήσεις σχημάτων και κατανομή μακρινών γαλαξιών από SDSS Και το DE τηλεσκόπια.

Στη συνέχεια συγκρίναμε την ανακατασκευή μας με την πρόβλεψη με το μοντέλο LCDM (ουσιαστικά το μοντέλο του Αϊνστάιν).

Βρήκαμε ενδιαφέρουσες υποδείξεις για μια πιθανή αναντιστοιχία με τις προβλέψεις του Αϊνστάιν, αν και με σχετικά χαμηλή στατιστική σημασία.

Αυτό σημαίνει ότι εξακολουθεί να υπάρχει πιθανότητα η βαρύτητα να λειτουργήσει διαφορετικά σε μεγάλες κλίμακες και ότι η γενική σχετικότητα μπορεί να χρειαστεί να τροποποιηθεί.

Η μελέτη μας διαπίστωσε επίσης ότι είναι πολύ δύσκολο να λυθεί το πρόβλημα τάσης Hubble αλλάζοντας απλώς τη θεωρία της βαρύτητας.

Ίσως μια πλήρης λύση θα απαιτούσε ένα νέο συστατικό του κοσμολογικού μοντέλου, το οποίο υπήρχε πριν από την εποχή που πρωτόνια και ηλεκτρόνια συνδυάστηκαν για να σχηματίσουν υδρογόνο μετά η μεγάλη έκρηξηόπως μια ειδική μορφή σκοτεινής ύλης, ένας πρώιμος τύπος σκοτεινής ενέργειας ή αρχέγονα μαγνητικά πεδία.

Ή ίσως υπάρχει ένα άγνωστο συστηματικό σφάλμα στα δεδομένα.

Ωστόσο, η μελέτη μας έδειξε ότι είναι δυνατό να ελεγχθεί η εγκυρότητα της γενικής σχετικότητας σε κοσμικές αποστάσεις χρησιμοποιώντας δεδομένα παρατήρησης. Αν και δεν έχουμε λύσει ακόμα το πρόβλημα του Hubble, θα έχουμε πολλά δεδομένα από τους νέους ανιχνευτές σε λίγα χρόνια.

Αυτό σημαίνει ότι θα είμαστε σε θέση να χρησιμοποιήσουμε αυτές τις στατιστικές μεθόδους για να τροποποιήσουμε περαιτέρω τη γενική σχετικότητα και να εξερευνήσουμε τα όρια των τροποποιήσεων, για να ανοίξουμε το δρόμο για την επίλυση ορισμένων από τις ανοιχτές προκλήσεις στην κοσμολογία.

Καζούγια ΚογιάμαΚαθηγητής Κοσμολογίας, Πανεπιστήμιο του Πόρτσμουθ Και το Λεβόν Μπογκοσιάνκαθηγητής φυσικής, Πανεπιστήμιο Simon Fraser

Αυτό το άρθρο έχει αναδημοσιευτεί από Συνομιλία Κάτω από άδεια Creative Commons. Διαβάστε το πρωτότυπο άρθρο.