Δεν υπάρχει καμία αμφιβολία για την τεράστια προγνωστική δύναμη της θεωρίας της βαρύτητας και της γενικής σχετικότητας του Άλμπερτ Αϊνστάιν το 1915, ωστόσο, η θεωρία εξακολουθεί να υποφέρει από ασυνέπειες όταν πρόκειται για τον υπολογισμό της επίδρασής της σε τεράστιες αποστάσεις. Νέα έρευνα δείχνει ότι αυτές οι αποκλίσεις μπορεί να είναι το αποτέλεσμα μιας «κοσμικής ανισορροπίας» στην ίδια τη βαρύτητα.
Στα 109 χρόνια από τότε που διατυπώθηκε για πρώτη φορά, η γενική σχετικότητα παρέμεινε η καλύτερη περιγραφή της βαρύτητας σε γαλαξιακή κλίμακα. Τα πειράματα έχουν επανειλημμένα επιβεβαιώσει την ακρίβειά του. Αυτή η θεωρία έχει επίσης χρησιμοποιηθεί για την πρόβλεψη πτυχών του σύμπαντος που αργότερα θα επιβεβαιωνόταν με παρατήρηση. Αυτά περιλαμβάνουν το Big Bang, την ύπαρξη μαύρων οπών, τον βαρυτικό φακό του φωτός και τους μικροσκοπικούς κυματισμούς στο χωροχρόνο που ονομάζονται βαρυτικά κύματα.
Ωστόσο, όπως η θεωρία της Νευτώνειας βαρύτητας που την ξεπέρασε, η γενική σχετικότητα μπορεί να μην μας δώσει την πλήρη εικόνα αυτής της μυστηριώδους δύναμης.
«Αυτό το μοντέλο βαρύτητας ήταν απαραίτητο για τα πάντα, από τη θεωρία της Μεγάλης Έκρηξης μέχρι την απεικόνιση των μαύρων τρυπών», δήλωσε ο Ρόμπιν Γουέν του Τμήματος Μαθηματικής Φυσικής του Πανεπιστημίου του Βατερλό σε μια δήλωση. «Όταν όμως προσπαθούμε να κατανοήσουμε τη βαρύτητα στο κοσμικό επίπεδο, στο επίπεδο των σμηνών γαλαξιών και πέρα, συναντάμε σαφείς αντιφάσεις με τις προβλέψεις της γενικής σχετικότητας».
Σχετίζεται με: Η κβαντική βαρύτητα θα μπορούσε να βοηθήσει τελικά στην ενοποίηση της κβαντικής μηχανικής με τη γενική σχετικότητα
«Η βαρύτητα γίνεται πιο αδύναμη κατά περίπου ένα τοις εκατό όταν αντιμετωπίζουμε αποστάσεις δισεκατομμυρίων ετών φωτός», είπε ο Wen. «Ονομάζουμε αυτή την ασυμφωνία «κοσμικό σφάλμα». Είναι σαν η ίδια η βαρύτητα να έχει σταματήσει εντελώς να ταιριάζει με τη θεωρία του Αϊνστάιν».
Η κοσμική διαταραχή που περιγράφεται από την ομάδα θα απαιτούσε μια αλλαγή σε μια τιμή που ονομάζεται σταθερά βαρύτητας. Αυτή η αλλαγή θα συμβεί καθώς οι υπολογισμοί πλησιάζουν τον «υπερορίζοντα», ή την πιο μακρινή απόσταση που το φως μπορεί να διανύσει από τότε που ξεκίνησε το σύμπαν.
Η ομάδα λέει ότι αυτή η τροποποίηση μπορεί να γίνει προσθέτοντας μία επέκταση στο τυπικό κοσμολογικό μοντέλο. Αυτό το μοντέλο είναι γνωστό ως το μοντέλο λάμδα της ψυχρής σκοτεινής ύλης. Μόλις ολοκληρωθεί, η τροποποίηση θα εξαλείψει τις αποκλίσεις στις μετρήσεις σε κοσμολογικά επίπεδα χωρίς να επηρεάσει τις τρέχουσες επιτυχημένες χρήσεις της γενικής σχετικότητας.
Τι είναι η γενική σχετικότητα και μπορεί να είναι λάθος;
Η ανακάλυψη της γενικής σχετικότητας ήταν τόσο επαναστατική, γιατί αντί να περιγράψει τη βαρύτητα ως μυστηριώδη δύναμη, υπέθεσε ότι η βαρύτητα προκύπτει από την καμπυλότητα του ιστού του χώρου και του χρόνου, ενωμένη ως μια ενιαία οντότητα που ονομάζεται «χωροχρόνος». Ο Αϊνστάιν συνειδητοποίησε ότι αυτή η καμπυλότητα σχηματίζεται από αντικείμενα με μάζα.
Φανταστείτε να τοποθετείτε μπάλες αυξανόμενης μάζας σε ένα τεντωμένο φύλλο καουτσούκ. Μια μπάλα του τένις θα έκανε ένα μικρό, σχεδόν ανεπαίσθητο βαθούλωμα. Μια μπάλα κρίκετ θα δημιουργούσε ένα πιο αισθητό βαθούλωμα. Η μπάλα του μπόουλινγκ θα προκαλούσε μια τεράστια καμπύλη που πιθανότατα θα προσέλκυε όλα τα άλλα στο φύλλο προς το μέρος της. Είναι η ίδια ιδέα με τα αντικείμενα στο διάστημα, αν και η καμπυλότητα του χωροχρόνου υπάρχει σε τέσσερις διαστάσεις, επομένως υπάρχουν μερικές βασικές διαφορές. Ωστόσο, τα φεγγάρια έχουν μικρότερη μάζα από τους πλανήτες, οι πλανήτες έχουν μικρότερη μάζα από τα αστέρια και τα αστέρια έχουν μικρότερη μάζα από τους γαλαξίες, επομένως τα βαρυτικά αποτελέσματα αυτών των ουράνιων σωμάτων αυξάνονται αντίστοιχα.
Η θεωρία της βαρύτητας του Αϊνστάιν χρησίμευσε ως διάδοχος της θεωρίας του Νεύτωνα, αν και ο τελευταίος εξακολουθεί να λειτουργεί καλά σε επίγειες κλίμακες και είναι αρκετά ακριβής για να μεταφέρει πυραύλους στη Σελήνη. Ωστόσο, η θεωρία του Αϊνστάιν θα μπορούσε να εξηγήσει πράγματα που η θεωρία του Νεύτωνα δεν μπορούσε, όπως η περίεργη τροχιά του Ερμή γύρω από τον Ήλιο.
Ο Νιούτον δεν ήταν ακριβώς έτσι λάθος Όσον αφορά τη βαρύτητα, δεν είχε δίκιο για τις κλίμακες των πλανητών, των αστεριών και των γαλαξιών.
Είναι όμως λάθος η γενική σχετικότητα;
Λοιπόν, ίσως όχι. Ως θεωρία, ήταν εξαιρετικά ακριβής στην πρόβλεψη πτυχών του σύμπαντος για τις οποίες δεν γνωρίζαμε τίποτα. Για παράδειγμα, η πρώτη εικόνα μιας μαύρης τρύπας που τραβήχτηκε από το τηλεσκόπιο Event Horizon αποκαλύφθηκε στο κοινό τον Απρίλιο του 2019. Αυτή η εικόνα ήταν κάπως συγκλονιστική λόγω του πόσο παρόμοια ήταν η εμφάνιση της υπερμεγέθους μαύρης τρύπας M87* με τις προβλέψεις της γενικής σχετικότητας.
Ωστόσο, οι επιστήμονες συνειδητοποιούν ότι υπάρχουν ορισμένα προβλήματα με τη γενική σχετικότητα που μπορεί τελικά να απαιτήσουν αναθεώρηση. Για παράδειγμα, η θεωρία δεν συνδυάζεται με την κβαντική μηχανική. Η καλύτερη περιγραφή μας για τη φυσική είναι σε θεμελιώδη επίπεδα μικρότερα από το άτομο. Αυτό οφείλεται κυρίως στο ότι δεν υπάρχει επί του παρόντος κβαντική θεωρία για να περιγράψει τη βαρύτητα.
Έτσι, οι τροποποιήσεις στη γενική σχετικότητα κάποια στιγμή για να «επεκτείνουν» το εύρος της στις μικρότερες κλίμακες του σύμπαντος – και σύμφωνα με αυτήν την ομάδα, στις μεγαλύτερες κλίμακες – φαίνονται αναπόφευκτες.
Για δεκαετίες, οι ερευνητές προσπάθησαν να δημιουργήσουν ένα μαθηματικό μοντέλο που θα βοηθούσε τη γενική σχετικότητα να ξεπεράσει τις αντιφάσεις της και εφαρμοσμένοι μαθηματικοί και αστροφυσικοί στο Πανεπιστήμιο του Βατερλό έχουν εμπλακεί βαθιά σε αυτό το εγχείρημα.
Αλλαγή της γενικής σχετικότητας; Τι!
Εάν η ιδέα της αναθεώρησης της γενικής σχετικότητας μοιάζει με αίρεση, σκεφτείτε ότι δεν θα ήταν η πρώτη φορά που οι θεωρίες που σχετίζονται με αυτήν έπρεπε να τροποποιηθούν.
Λίγο αφότου ο Αϊνστάιν παρουσίασε για πρώτη φορά τη θεωρία, αυτός και άλλοι την επέκτειναν για να αναπτύξουν μια εξίσωση για να περιγράψουν την κατάσταση του σύμπαντος. Ως αποτέλεσμα της γενικής σχετικότητας, αυτή η εξίσωση προέβλεψε ότι το σύμπαν θα έπρεπε να αλλάξει. Το πρόβλημα με αυτό ήταν η επιστημονική συναίνεση εκείνη την εποχή ότι το σύμπαν ήταν στατικό. Αν και ο Αϊνστάιν δεν ήταν άγνωστος στη μετατροπή του status quo σε μια κατάσταση συνεχούς αλλαγής, έτυχε να συμφωνήσει με αυτήν την αμετάβλητη κοσμική εικόνα.
Για να διασφαλίσει την πρόβλεψη της γενικής σχετικότητας ενός στατικού σύμπαντος, ο Αϊνστάιν πρόσθεσε έναν «διορθωτικό παράγοντα» που αργότερα περιέγραψε ως «τη μεγαλύτερη γκάφα του»: αυτό είναι γνωστό ως η κοσμολογική σταθερά και αντιπροσωπεύεται από το ελληνικό γράμμα λάμδα. Η σταθερά θα απομακρυνόταν από τη σκέψη όταν ο Έντουιν Χαμπλ έπεισε τον Αϊνστάιν ότι το σύμπαν δεν ήταν στατικό. Είπε ότι επεκτείνεται. Από όσο γνωρίζουμε σήμερα, το Hubble είχε στην πραγματικότητα δίκιο.
Ωστόσο, το λάμδα θα επιστρέψει πραγματικά. Θα αρχίσει να εξυπηρετεί μια διαφορετική λειτουργία στα τέλη του 20ου αιώνα, όταν οι αστρονόμοι ανακαλύψουν ότι το σύμπαν όχι μόνο διαστέλλεται, αλλά ότι το κάνει με επιταχυνόμενο ρυθμό.
«Πριν από σχεδόν έναν αιώνα, οι αστρονόμοι ανακάλυψαν ότι το σύμπαν μας διαστέλλεται», δήλωσε στη δήλωση ο Niayesh Afsharid, καθηγητής αστροφυσικής στο Πανεπιστήμιο του Waterloo και ερευνητής στο Ocean Institute. «Όσο πιο μακριά είναι οι γαλαξίες, τόσο πιο γρήγορα κινούνται, στο σημείο που φαίνονται να κινούνται με ταχύτητα κοντά στην ταχύτητα του φωτός, το μέγιστο που επιτρέπεται από τη θεωρία του Αϊνστάιν, τα ευρήματά μας υποδηλώνουν ότι, στις ίδιες κλίμακες, η θεωρία του Αϊνστάιν μπορεί επίσης δεν είναι αρκετό».
Η πρόταση της ομάδας του Πανεπιστημίου του Βατερλό για ένα «κοσμικό σφάλμα» που διαμορφώνει τη βαρύτητα σε τεράστιες αποστάσεις επεκτείνει τους μαθηματικούς τύπους του Αϊνστάιν για να το αντιμετωπίσει αυτό χωρίς να «ανατρέψει» τη θεωρία.
«Σκεφτείτε το ως μια υποσημείωση στη θεωρία του Αϊνστάιν», είπε ο Wen. “Μόλις φτάσετε στο Κοσμικό Βασίλειο, ισχύουν όροι και προϋποθέσεις.”
Οι ερευνητές πίσω από αυτή τη θεωρία του κοσμικού σφάλματος προτείνουν ότι μελλοντικές παρατηρήσεις της μεγάλης κλίμακας δομής του σύμπαντος και ενός πεδίου παγκόσμιας «απολιθωμένης» ακτινοβολίας που ονομάζεται κοσμικό υπόβαθρο μικροκυμάτων (CMB) από ένα γεγονός που συνέβη λίγο μετά τη Μεγάλη Έκρηξη θα μπορούσαν να ρίξουν φως για το αν οι κοσμικές δυσλειτουργίες στη Βαρύτητα είναι υπεύθυνες για τις τρέχουσες «κοσμικές εντάσεις».
Αυτό θα μπορούσε να περιλαμβάνει γιατί η κβαντική θεωρία αποδίδει μια τιμή λάμδα ενός εκπληκτικού παράγοντα 10¹²¹ (10 ακολουθούμενο από 120 μηδενικά) που είναι μεγαλύτερη από ό,τι δείχνουν οι αστρονομικές παρατηρήσεις (δεν είναι περίεργο που ορισμένοι φυσικοί την αποκαλούν «η χειρότερη θεωρητική πρόβλεψη στην ιστορία του σύμπαντος»). . Η φυσικη!”).
«Αυτό το νέο μοντέλο μπορεί να είναι μόνο το πρώτο κομμάτι της απόδειξης στο κοσμικό παζλ που αρχίζουμε να ξετυλίγουμε στον χώρο και τον χρόνο», κατέληξε ο Afshordi.
Η έρευνα της ομάδας εμφανίζεται στο Journal of Cosmology and Astroparticle Physics.