Δεν υπάρχει καμία αμφιβολία για την απίστευτη προγνωστική δύναμη του Albert EinsteinΗ θεωρία της βαρύτητας του 1915 και η γενική σχετικότητα εξακολουθούν να έχουν ασυνέπειες όταν πρόκειται για τον υπολογισμό των επιπτώσεών τους σε μεγάλες αποστάσεις. Και νέα έρευνα δείχνει ότι αυτές οι ασυνέπειες θα μπορούσαν να είναι το αποτέλεσμα μιας «κοσμικής διαταραχής» 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 χρησιμοποιήθηκε επίσης για την πρόβλεψη πτυχών του σύμπαντος που αργότερα θα επιβεβαιωνόταν από παρατηρήσεις. Αυτά περιλαμβάνουν το Big Bang, την ύπαρξη μαύρων οπών, τον βαρυτικό φακό του φωτός και τους μικροσκοπικούς κυματισμούς στον χωροχρόνο που ονομάζονται βαρυτικά κύματα.
Αλλά όπως η θεωρία της βαρύτητας του Νεύτωνα, που την ξεπέρασε, η γενική σχετικότητα μπορεί να μην μας δώσει την πλήρη εικόνα αυτής της αινιγματικής δύναμης.
«Αυτό το μοντέλο βαρύτητας ήταν ζωτικής σημασίας για τα πάντα, από τη θεωρία της Μεγάλης Έκρηξης μέχρι τη φωτογραφία των μαύρων τρυπών», δήλωσε ο Robin Wen του Μαθηματικού Ορογράμματος Φυσικής του Πανεπιστημίου του Waterloo σε μια δήλωση. «Αλλά όταν προσπαθούμε να κατανοήσουμε τη βαρύτητα σε κοσμική κλίμακα, στην κλίμακα των σμηνών γαλαξιών και πέρα από αυτήν, συναντάμε προφανείς αντιφάσεις με τις προβλέψεις της γενικής σχετικότητας».
Σχετίζεται με: Η «κβαντική βαρύτητα» θα μπορούσε να βοηθήσει στην ενοποίηση της κβαντικής μηχανικής με τη γενική σχετικότητα
«Η βαρύτητα γίνεται περίπου ένα τοις εκατό ασθενέστερη σε αποστάσεις δισεκατομμυρίων ετών φωτός», είπε ο Wen. «Ονομάζουμε αυτή την ασυνέπεια «κοσμικό λάθος». Είναι σχεδόν σαν η ίδια η βαρύτητα να μην αντιστοιχεί πλέον απόλυτα με τη θεωρία του Αϊνστάιν.
Το κοσμικό σφάλμα 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», τη μέγιστη απόσταση που θα μπορούσε να έχει διανύσει το φως από τότε που σχηματίστηκε το σύμπαν.
Αυτή η προσαρμογή, λέει η ομάδα, μπορεί να γίνει προσθέτοντας μια ενιαία επέκταση στο τυπικό κοσμολογικό μοντέλο. Αυτό το μοντέλο είναι γνωστό ως μοντέλο ψυχρής σκοτεινής ύλης λάμδα. Μόλις ολοκληρωθεί, η προσθήκη θα επιλύσει τις ασυνέπειες στις μετρήσεις σε κοσμολογική κλίμακα χωρίς να επηρεάσει τις υπάρχουσες επιτυχημένες εφαρμογές της γενικής σχετικότητας.
Τι είναι η γενική σχετικότητα και μπορεί να είναι λάθος;
Η ανακάλυψη της γενικής σχετικότητας ήταν τόσο επαναστατική γιατί δεν περιέγραψε τη βαρύτητα ως μυστηριώδη δύναμη, αλλά μάλλον υπέθεσε ότι η βαρύτητα προκύπτει από την καμπυλότητα του ιστού του χώρου και του χρόνου, ενοποιημένοι σε μια ενιαία οντότητα που ονομάζεται «χωροχρόνος». Και αυτή η καμπυλότητα, όπως αναγνώρισε ο Αϊνστάιν, διαμορφώνεται από αντικείμενα με μάζα.
Φανταστείτε να τοποθετείτε μπάλες αυξανόμενης μάζας σε μια τεντωμένη λαστιχένια πλάκα. Μια μπάλα του τένις θα άφηνε ένα μικροσκοπικό, ελάχιστα αισθητό βαθούλωμα. μια μπάλα κρίκετ θα άφηνε ένα πιο αισθητό βαθούλωμα. και μια μπάλα μπόουλινγκ θα οδηγούσε μια τεράστια καμπύλη που μάλλον τραβάει όλα τα άλλα στο σεντόνι. Είναι η ίδια ιδέα για τα αντικείμενα στο διάστημα, αλλά η καμπυλότητα του χωροχρόνου υπάρχει σε τέσσερις διαστάσεις, επομένως υπάρχουν μερικές πολύ σημαντικές διαφορές. Ωστόσο, τα φεγγάρια έχουν μικρότερη μάζα από τους πλανήτες, οι πλανήτες μικρότερη από τα αστέρια και τα αστέρια μικρότερα από τους γαλαξίες – επομένως οι βαρυτικές επιρροές αυτών των ουράνιων σωμάτων αυξάνονται ανάλογα.
Η θεωρία της βαρύτητας του Αϊνστάιν ήταν κάτι σαν διάδοχος της θεωρίας του Νεύτωνα, αν και η τελευταία εξακολουθεί να λειτουργεί αρκετά καλά σε επίγειες κλίμακες και είναι αρκετά ακριβής ώστε να εκτοξεύει πυραύλους στο φεγγάρι. Αλλά 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 αυτό ανακριβής σχετικά με τη βαρύτητα – απλώς δεν ήταν σωστό στην κλίμακα των πλανητών, των αστεριών και των γαλαξιών.
Ωστόσο, είναι λάθος η γενική σχετικότητα;
Λοιπόν, μάλλον όχι. Ως θεωρία, ήταν πολύ ακριβής στην πρόβλεψη πτυχών του σύμπαντος για τις οποίες δεν γνωρίζαμε τίποτα. Για παράδειγμα, η πρώτη εικόνα μιας μαύρης τρύπας που καταγράφηκε από το τηλεσκόπιο Event Horizon κυκλοφόρησε στο κοινό τον Απρίλιο του 2019. Αυτή η εικόνα ήταν κατά κάποιον τρόπο συγκλονιστική επειδή η εμφάνιση της υπερμεγέθους μαύρης τρύπας M87* έμοιαζε πολύ με τις προβλέψεις της γενικής σχετικότητας.
Ωστόσο, οι επιστήμονες γνωρίζουν ότι υπάρχουν ορισμένα προβλήματα με τη γενική σχετικότητα που μπορεί να απαιτούν τελική αναθεώρηση. Για παράδειγμα, η θεωρία δεν μπορεί να συμβιβαστεί με την κβαντομηχανική. η καλύτερη περιγραφή που έχουμε για τη φυσική σε θεμελιώδη επίπεδα μικρότερα από το άτομο. Αυτό οφείλεται κυρίως στο ότι δεν υπάρχει επί του παρόντος κβαντική θεωρία για να περιγράψει τη βαρύτητα.
Φαίνεται λοιπόν ότι οι προσαρμογές στη γενική σχετικότητα φαίνονται αναπόφευκτες κάποια στιγμή για να επεκταθεί η εμβέλειά της στις μικρότερες κλίμακες του σύμπαντος – και, σύμφωνα με αυτήν την ομάδα, στις μεγαλύτερες κλίμακες.
Για δεκαετίες, οι ερευνητές προσπαθούσαν να δημιουργήσουν ένα μαθηματικό μοντέλο που θα βοηθούσε τη γενική σχετικότητα να ξεπεράσει τις ασυνέπειές της, και εφαρμοσμένοι μαθηματικοί και αστροφυσικοί στο Πανεπιστήμιο του Waterloo έχουν εμπλακεί βαθιά σε αυτήν την αναζήτηση.
Αλλαγή της γενικής σχετικότητας; Τι!
Εάν η ιδέα της αναθεώρησης της γενικής σχετικότητας ισοδυναμεί με αίρεση, σκεφτείτε ότι δεν θα ήταν η πρώτη φορά που οι σχετικές θεωρίες έπρεπε να προσαρμοστούν.
Λίγο αφότου ο Αϊνστάιν πρότεινε για πρώτη φορά τη θεωρία, αυτός και άλλοι την επέκτειναν και ανέπτυξαν μια εξίσωση για να περιγράψουν την κατάσταση του σύμπαντος. Με βάση τη γενική σχετικότητα, αυτή η εξίσωση προέβλεψε ότι το σύμπαν θα έπρεπε να αλλάξει. Το πρόβλημα ήταν η επιστημονική συναίνεση εκείνη την εποχή ότι το σύμπαν ήταν στατικό. Και ενώ ο Αϊνστάιν δεν ήταν ξένος για να ανατρέψει το status quo, έτυχε να συμφωνήσει με αυτήν την αμετάβλητη κοσμική εικόνα.
Για να διασφαλίσει ότι η γενική σχετικότητα προέβλεψε ένα στατικό σύμπαν, ο Αϊνστάιν πρόσθεσε έναν «παράγοντα φοντάν», τον οποίο αργότερα περιέγραψε ως το «μεγαλύτερο λάθος του». Αυτό είναι γνωστό ως η κοσμολογική σταθερά και αντιπροσωπεύεται από το ελληνικό γράμμα λάμδα. Η σταθερά θα εξαφανιζόταν από τη σκέψη όταν ο Έντουιν Χαμπλ έπεισε τον Αϊνστάιν ότι το σύμπαν δεν ήταν στατικό. Επεκτείνεται, υποστήριξε. Και από όσο γνωρίζουμε σήμερα, το Hubble είχε στην πραγματικότητα δίκιο.
Ωστόσο, ο Λάμδα θα έκανε πραγματικά μια επιστροφή. Υποτίθεται ότι εκπληρώνει μια διαφορετική λειτουργία στα τέλη του 20ου αιώνα, όταν οι αστρονόμοι ανακάλυψαν ότι το σύμπαν όχι μόνο διαστέλλεται, αλλά και με αυξανόμενο 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 Perimeter Institute. «Όσο πιο μακριά είναι οι γαλαξίες, τόσο πιο γρήγορα κινούνται, σε σημείο που φαίνεται να κινούνται με σχεδόν την ταχύτητα του φωτός, τη μέγιστη επιτρεπόμενη από τη θεωρία του Αϊνστάιν. Τα αποτελέσματά μας υποδηλώνουν ότι η θεωρία του Αϊνστάιν μπορεί επίσης να είναι ανεπαρκής σε αυτές ακριβώς τις κλίμακες».
Η «κοσμική διαταραχή» που προτείνεται από την ομάδα του Πανεπιστημίου του Βατερλό αλλάζει τη βαρύτητα σε μεγάλες αποστάσεις και επεκτείνει τους μαθηματικούς τύπους του Αϊνστάιν για να αντιμετωπίσει αυτό το πρόβλημα χωρίς να «ανατρέψει» τη θεωρία.
«Σκεφτείτε το ως μια υποσημείωση στη θεωρία του Αϊνστάιν», είπε ο Wen. “Μόλις φτάσετε σε μια κοσμική κλίμακα, ισχύουν οι όροι και οι προϋποθέσεις.”
ΠΑΡΟΜΟΙΕΣ ΑΝΑΡΤΗΣΕΙΣ:
— Τα “αστέρια της Grava” που μοιάζουν με μαύρη τρύπα θα μπορούσαν να στοιβάζονται σαν ρωσικές κούκλες τσαγιού
— Η δεύτερη εικόνα της πρώτης μαύρης τρύπας που απεικονίστηκε ποτέ επιβεβαιώνει τη γενική θεωρία της σχετικότητας του Αϊνστάιν (φωτογραφία)
— Ο «κυματιστής χωροχρόνος» θα μπορούσε να εξηγήσει γιατί η βαρύτητα δεν ακολουθεί τους κβαντικούς κανόνες
Οι ερευνητές πίσω από αυτή τη θεωρία του κοσμικού σφάλματος προτείνουν ότι οι μελλοντικές παρατηρήσεις της μεγάλης κλίμακας δομής του σύμπαντος και ενός παγκόσμιου πεδίου ακτινοβολίας που ονομάζεται Κοσμικό Υπόβαθρο Μικροκυμάτων (CMB) θα προέρχονται από ένα γεγονός που συνέβη λίγο μετά τη Μεγάλη Έκρηξη ρίξει φως στο εάν μια διαταραχή της κοσμικής βαρύτητας είναι υπεύθυνη για τις τρέχουσες «κοσμικές εντάσεις».
Αυτό μπορεί να οφείλεται στο ότι η κβαντική θεωρία δίνει μια τιμή για το λάμδα που είναι μεγαλύτερη κατά έναν εκπληκτικό συντελεστή 10¹²¹ (10 ακολουθούμενο από 120 μηδενικά) από ό,τι φαίνεται να δείχνουν οι αστρονομικές παρατηρήσεις (δεν είναι περίεργο που ορισμένοι φυσικοί την αποκαλούν “η χειρότερη θεωρητική “Πρόβλεψη στην Ιστορία”) . Η φυσικη!”).
«Αυτό το νέο μοντέλο θα μπορούσε να είναι η πρώτη ένδειξη σε ένα κοσμικό παζλ που αρχίζουμε να λύνουμε στο χώρο και στο χρόνο», κατέληξε ο Afshordi.
Η ομαδική έρευνα δημοσιεύεται στο Journal of Cosmology and Astroparticle Physics.