Не може да се отрече огромната предсказваща сила на теорията на Алберт Айнщайн за гравитацията и общата теория на относителността от 1915 г., но теорията все още страда от несъответствия, когато става въпрос за изчисляване на нейния ефект върху огромни разстояния. Ново изследване предполага, че тези несъответствия може да са резултат от „космически дисбаланс“ в самата гравитация.
През 109 години, откакто е формулирана за първи път, общата теория на относителността остава най-доброто описание на гравитацията в галактически мащаб; Експериментите многократно са потвърдили неговата точност. Тази теория е била използвана и за предсказване на аспекти на Вселената, които по-късно ще бъдат потвърдени от наблюдения. Те включват Големия взрив, съществуването на черни дупки, гравитационни лещи на светлината и малки вълни в пространство-времето, наречени гравитационни вълни.
Въпреки това, подобно на теорията на Нютоновата гравитация, която я надмина, общата теория на относителността може да не ни даде пълната картина на тази мистериозна сила.
„Този модел на гравитация е от съществено значение за всичко – от теорията за Големия взрив до изобразяването на черни дупки“, каза в изявление Робин Уен от катедрата по математическа физика на Университета на Ватерло. „Но когато се опитваме да разберем гравитацията на космическо ниво, на ниво галактически клъстери и извън него, се натъкваме на ясни противоречия с прогнозите на общата теория на относителността.“
Свързани: Квантовата гравитация може да помогне най-накрая да обедини квантовата механика с общата теория на относителността
„Гравитацията става по-слаба с около един процент, когато се работи с разстояния от милиарди светлинни години“, каза Уен. „Ние наричаме това несъответствие „космически проблем“. Сякаш самата гравитация напълно е спряла да съответства на теорията на Айнщайн.“
Космическото смущение, описано от екипа, би изисквало промяна в стойност, наречена гравитационна константа. Тази промяна ще настъпи, когато изчисленията се приближат до „хиперхоризонта“ или най-далечното разстояние, което светлината е успяла да измине от началото на Вселената.
Екипът казва, че тази модификация може да бъде направена чрез добавяне на едно разширение към стандартния космологичен модел. Този модел е известен като ламбда модел на студена тъмна материя. След като бъде завършена, модификацията трябва да елиминира несъответствията в измерванията на космологични нива, без да засяга настоящите успешни употреби на общата теория на относителността.
Какво е обща теория на относителността и може ли да е грешна?
Откритието на общата теория на относителността беше толкова революционно, защото вместо да опише гравитацията като мистериозна сила, той постулира, че гравитацията възниква от кривината на тъканта на пространството и времето, обединени като едно цяло, наречено „пространство-време“. Айнщайн осъзнава, че тази кривина се формира от обекти с маса.
Представете си, че поставяте топки с нарастваща маса върху опънат гумен лист. Топката за тенис би направила малка, почти незабележима вдлъбнатина; Топка за крикет би създала по-забележима вдлъбнатина; Топката за боулинг ще предизвика огромна крива, която вероятно ще привлече всичко останало върху листа към нея. Това е същата концепция с обектите в космоса, въпреки че кривината на пространство-времето съществува в четири измерения, така че има някои ключови разлики. Луните обаче имат по-малка маса от планетите, планетите имат по-малка маса от звездите, а звездите имат по-малка маса от галактиките, така че гравитационните ефекти на тези небесни тела се увеличават съответно.
Теорията на Айнщайн за гравитацията служи като наследник на тази на Нютон, въпреки че последната все още служи добре в земни мащаби и е достатъчно точна, за да достави ракети до Луната. Теорията на Айнщайн обаче може да обясни неща, които теорията на Нютон не може, като например странната орбита на Меркурий около Слънцето.
Нютон не беше точно такъв грешка Що се отнася до гравитацията, той не беше прав за мащабите на планетите, звездите и галактиките.
Но дали общата теория на относителността е грешна?
Е, може би не. Като теория, тя беше много точна в предсказването на аспекти на Вселената, за които не знаехме нищо. Например, първото изображение на черна дупка, направено от телескопа Event Horizon, беше разкрито на обществеността през април 2019 г. Това изображение беше донякъде шокиращо поради това колко сходен беше външният вид на супермасивната черна дупка M87* с прогнозите на общата теория на относителността.
Учените обаче осъзнават, че има някои проблеми с общата теория на относителността, които в крайна сметка може да изискват преразглеждане. Например, теорията не се комбинира с квантовата механика; Нашето най-добро описание на физиката е на фундаментални нива, по-малки от атома. Това е главно защото в момента няма квантова теория, която да опише гравитацията.
И така, модификациите на общата теория на относителността в даден момент, за да се „разшири“ нейният обхват до най-малките мащаби на Вселената – и според този екип, най-големите мащаби – изглеждат неизбежни.
В продължение на десетилетия изследователите се опитват да създадат математически модел, който би помогнал на общата теория на относителността да преодолее своите противоречия, а приложни математици и астрофизици от Университета на Ватерло са дълбоко ангажирани в това начинание.
Промяна на общата теория на относителността? Какво!
Ако идеята за преразглеждане на общата теория на относителността звучи като ерес, помислете, че това няма да е първият път, когато теориите, свързани с нея, трябва да бъдат модифицирани.
Малко след като Айнщайн за първи път представи теорията, той и други я разшириха, за да разработят уравнение, което да опише състоянието на Вселената. В резултат на общата теория на относителността това уравнение предсказва, че Вселената трябва да се промени. Проблемът с това беше научният консенсус по онова време, че Вселената е статична. Въпреки че на Айнщайн не му беше чуждо трансформирането на статуквото в състояние на постоянна промяна, той случайно се съгласи с тази непроменлива космическа картина.
За да осигури предсказанието на общата теория на относителността за статична вселена, Айнщайн добави „коригиращ фактор“, който по-късно описа като „най-голямата си грешка“: това е известно като космологична константа и е представено от гръцката буква ламбда. Константата ще бъде премахната от мисълта, когато Едуин Хъбъл убеди Айнщайн, че Вселената не е статична. Той каза, че се разширява. Доколкото знаем днес, Хъбъл всъщност е бил прав.
Въпреки това ламбдата всъщност ще се върне. Той ще започне да изпълнява различна функция в края на 20-ти век, когато астрономите открият, че Вселената не само се разширява, но и че го прави с ускоряваща се скорост.
„Преди почти век астрономите откриха, че нашата Вселена се разширява“, каза в изявлението Ниайеш Афшарид, професор по астрофизика в Университета на Ватерло и изследовател в Океанския институт. „Колкото по-далеч са галактиките, толкова по-бързо се движат до точката, в която изглежда, че се движат със скорост, близка до скоростта на светлината, максималната позволена от теорията на Айнщайн не е достатъчно.“
Предложението на екипа на Университета на Ватерло за „космическа грешка“, модулираща гравитацията на огромни разстояния, разширява математическите формули на Айнщайн, за да се справи с това, без да „събаря“ теорията.
„Мислете за това като за бележка под линия към теорията на Айнщайн“, каза Уен. „След като стигнете до Космическото царство, се прилагат правила и условия.“
Изследователите зад тази теория за космическия проблем предполагат, че бъдещи наблюдения на широкомащабната структура на Вселената и поле от глобална „фосилна“ радиация, наречена космически микровълнов фон (CMB) от събитие, настъпило малко след Големия взрив, биха могли да хвърлят светлина за това дали космическите проблеми в Gravity са отговорни за сегашното „космическо напрежение“.
Това може да включва защо квантовата теория дава ламбда стойност на удивителен коефициент от 10¹²¹ (10 последвано от 120 нули), което е по-голямо, отколкото показват астрономическите наблюдения (нищо чудно, че някои физици го наричат „най-лошото теоретично предсказание в историята на Вселената“) . Физика!“).
„Този нов модел може да е само първото доказателство в космическия пъзел, който започваме да разплитаме в пространството и времето“, заключи Афшорди.
Изследването на екипа се появява в Вестник по космология и физика на астрочастиците.
More Stories
Изследователите са открили начин да огъват светлината около ъглите и е лудост да го видим в действие
Тази зашеметяваща снимка на лице на мравка изглежда като нещо от кошмар: ScienceAlert
SpaceX изстреля 23 сателита Starlink от Флорида (видео и снимки)