Nevar noliegt Alberta Einšteina 1915. gada gravitācijas un vispārējās relativitātes teorijas milzīgo prognozēšanas spēku, tomēr teorija joprojām cieš no pretrunām, aprēķinot tās ietekmi lielos attālumos. Jauni pētījumi liecina, ka šīs neatbilstības var būt pašas gravitācijas “kosmiskās nelīdzsvarotības” rezultāts.
109 gadu laikā kopš tās pirmās formulēšanas vispārējā relativitāte joprojām ir labākais galaktikas mēroga gravitācijas apraksts; Eksperimenti vairākkārt ir apstiprinājuši tā precizitāti. Šī teorija ir izmantota arī, lai prognozētu Visuma aspektus, kurus vēlāk apstiprinās novērojumi. Tajos ietilpst Lielais sprādziens, melno caurumu esamība, gaismas gravitācijas lēca un nelieli viļņojumi telpā, ko sauc par gravitācijas viļņiem.
Tomēr, tāpat kā Ņūtona gravitācijas teorija, kas to pārspēja, vispārējā relativitāte var nesniegt mums pilnīgu priekšstatu par šo noslēpumaino spēku.
“Šis gravitācijas modelis ir bijis būtisks visam, sākot no Lielā sprādziena teorijas līdz melno caurumu attēlveidošanai,” teikts Robina Vena no Vaterlo universitātes Matemātiskās fizikas katedras paziņojumā. “Bet, mēģinot izprast gravitāciju kosmiskā līmenī, galaktiku kopu līmenī un ārpus tā, mēs sastopam skaidras pretrunas ar vispārējās relativitātes teorijas prognozēm.”
Saistīts: Kvantu gravitācija varētu palīdzēt beidzot apvienot kvantu mehāniku ar vispārējo relativitāti
“Gravitācija kļūst vājāka par aptuveni vienu procentu, strādājot ar miljardu gaismas gadu attālumiem,” sacīja Vens. “Mēs šo neatbilstību saucam par “kosmisko kļūmi”. Šķiet, ka gravitācija pati par sevi ir pilnībā pārstājusi atbilst Einšteina teorijai.”
Komandas aprakstītajam kosmiskajam traucējumam būtu jāmaina vērtība, ko sauc par gravitācijas konstanti. Šīs izmaiņas notiks, kad aprēķini tuvosies “hiperhorizontam” vai vistālākajam attālumam, ko gaisma ir spējusi nobraukt kopš Visuma sākuma.
Komanda saka, ka šo modifikāciju var veikt, pievienojot vienu paplašinājumu standarta kosmoloģiskajam modelim. Šis modelis ir pazīstams kā aukstās tumšās vielas lambda modelis. Pēc pabeigšanas modifikācijai jānovērš mērījumu neatbilstības kosmoloģiskajos līmeņos, neietekmējot pašreizējos veiksmīgos vispārējās relativitātes teorijas lietojumus.
Kas ir vispārējā relativitāte un vai tā ir kļūdaina?
Vispārējās relativitātes teorijas atklājums bija tik revolucionārs, jo tā vietā, lai aprakstītu gravitāciju kā noslēpumainu spēku, viņš postulēja, ka gravitācija rodas no telpas un laika auduma izliekuma, kas apvienots kā vienota vienība, ko sauc par “telpas laiku”. Einšteins saprata, ka šo izliekumu veido objekti ar masu.
Iedomājieties, ka uz izstieptas gumijas loksnes novietojat pieaugošas masas bumbiņas. Tenisa bumbiņa radītu nelielu, gandrīz nemanāmu iespiedumu; Kriketa bumba radītu pamanāmāku iespiedumu; Boulinga bumba radītu milzīgu izliekumu, kas, iespējams, piesaistītu visu pārējo uz lapas. Tas ir tāds pats jēdziens ar objektiem telpā, lai gan telpas laika izliekums pastāv četrās dimensijās, tāpēc ir dažas būtiskas atšķirības. Tomēr pavadoņiem ir mazāka masa nekā planētām, planētām ir mazāka nekā zvaigznēm, un zvaigznēm ir mazāka masa nekā galaktikām, tāpēc attiecīgi palielinās šo debess ķermeņu gravitācijas ietekme.
Einšteina gravitācijas teorija kalpoja kā Ņūtona teorijas pēctece, lai gan pēdējā joprojām labi darbojas uz zemes mērogiem un ir pietiekami precīza, lai nogādātu raķetes uz Mēnesi. Tomēr Einšteina teorija varētu izskaidrot lietas, ko Ņūtona teorija nevarēja, piemēram, Merkūrija dīvaino orbītu ap Sauli.
Ņūtons nebija gluži tāds kļūda Attiecībā uz gravitāciju viņam nebija taisnība par planētu, zvaigžņu un galaktiku mērogiem.
Bet vai vispārējā relativitāte ir nepareiza?
Nu, varbūt nē. Kā teorija tā bija ļoti precīza, paredzot Visuma aspektus, par kuriem mēs neko nezinājām. Piemēram, pirmais melnā cauruma attēls, ko uzņēmis teleskops Event Horizon, tika atklāts 2019. gada aprīlī. Šis attēls bija nedaudz šokējošs, jo supermasīvā melnā cauruma M87* izskats bija līdzīgs vispārējās relativitātes teorijas prognozēm.
Tomēr zinātnieki saprot, ka ar vispārējo relativitāti ir dažas problēmas, kuras galu galā var būt jāpārskata. Piemēram, teorija nav apvienota ar kvantu mehāniku; Mūsu labākais fizikas apraksts ir zemāks par atomu. Tas galvenokārt ir tāpēc, ka pašlaik nav kvantu teorijas, kas aprakstītu gravitāciju.
Tātad vispārējās relativitātes teorijas modifikācijas kādā brīdī, lai “paplašinātu” tās darbības jomu līdz vismazākajiem Visuma mērogiem – un, pēc šīs komandas domām, lielākajiem mērogiem – šķiet neizbēgamas.
Jau vairākus gadu desmitus pētnieki ir mēģinājuši izveidot matemātisko modeli, kas palīdzētu vispārējai relativitātei pārvarēt tās pretrunas, un Vaterlo universitātes lietišķie matemātiķi un astrofiziķi ir ļoti iesaistījušies šajā darbā.
Mainīt vispārējo relativitāti? Kas!
Ja ideja par vispārējās relativitātes teorijas pārskatīšanu izklausās pēc ķecerības, ņemiet vērā, ka šī nebūtu pirmā reize, kad ar to saistītās teorijas ir jāmaina.
Neilgi pēc tam, kad Einšteins pirmo reizi iepazīstināja ar teoriju, viņš un citi to paplašināja, lai izstrādātu vienādojumu, lai aprakstītu Visuma stāvokli. Vispārējās relativitātes teorijas rezultātā šis vienādojums paredzēja, ka Visumam vajadzētu mainīties. Problēma šajā laikā bija zinātniskā vienprātība, ka Visums bija statisks. Lai gan Einšteinam nebija svešs status quo pārveide par pastāvīgu pārmaiņu stāvokli, viņš piekrita šim nemainīgajam kosmiskajam attēlam.
Lai nodrošinātu vispārējās relativitātes teorijas prognozi par statisku Visumu, Einšteins pievienoja “korekcijas koeficientu”, ko viņš vēlāk raksturoja kā “savu lielāko kļūdu”: to sauc par kosmoloģisko konstanti, un to apzīmē ar grieķu burtu lambda. Konstante tiktu noņemta no domām, kad Edvīns Habls pārliecināja Einšteinu, ka Visums nav statisks. Viņš teica, ka tas paplašinās. Cik mēs šodien zinām, Hablam patiesībā bija taisnība.
Tomēr lambda faktiski atgriezīsies. Tas sāks pildīt citu funkciju 20. gadsimta beigās, kad astronomi atklās, ka Visums ne tikai paplašinās, bet arī to dara ar paātrinātu ātrumu.
“Gandrīz pirms gadsimta astronomi atklāja, ka mūsu Visums paplašinās,” teikts Vaterlo universitātes astrofizikas profesora un Okeāna institūta pētnieka Niaješa Afšarida paziņojumā. “Jo tālāk atrodas galaktikas, jo ātrāk tās pārvietojas līdz punktam, kurā šķiet, ka tās pārvietojas tuvu gaismas ātrumam, kas ir maksimums, ko pieļauj Einšteina teorija. Mūsu atklājumi liecina, ka arī Einšteina teorija var būt tāda pati būt neadekvātam.”
Vaterlo universitātes komandas priekšlikums par “kosmisko kļūmi”, kas modulē gravitāciju lielos attālumos, paplašina Einšteina matemātiskās formulas, lai risinātu šo problēmu, “neapgāžot” teoriju.
“Padomājiet par to kā par zemsvītras piezīmi Einšteina teorijai,” sacīja Vens. “Kad esat sasniedzis kosmisko valstību, tiek piemēroti noteikumi un nosacījumi.”
Šīs kosmiskās kļūmju teorijas pētnieki norāda, ka turpmākie novērojumi par Visuma liela mēroga struktūru un globālā “fosilā” starojuma lauku, ko sauc par kosmisko mikroviļņu fonu (CMB) no notikuma, kas notika neilgi pēc Lielā sprādziena, varētu izgaismot. par to, vai gravitācijas kosmiskās kļūmes ir atbildīgas par pašreizējo “kosmisko spriedzi”.
Tas varētu ietvert to, kāpēc kvantu teorija dod lambda vērtību pārsteidzošu koeficientu 10¹²¹ (10, kam seko 120 nulles), kas ir lielāks, nekā liecina astronomiskie novērojumi (nav brīnums, ka daži fiziķi to sauc par “sliktāko teorētisko prognozi Visuma vēsturē”). . Fizika!”).
“Šis jaunais modelis var būt tikai pirmais pierādījums kosmiskajā mīklā, kuru mēs sākam risināt telpā un laikā,” secināja Afšordi.
Komandas pētījumi parādās Kosmoloģijas un astrodaļiņu fizikas žurnāls.
