Naukowcy przetestowali względność Einsteina w skali kosmologicznej i znaleźli coś dziwnego: ScienceAlert

Wszystko we wszechświecie ma grawitację — i też ją czuje. Jednak jest to również ta najczęstsza podstawowa siła, która stanowi największe wyzwanie dla fizyków.

Ogólna teoria względności Alberta Einsteina Udało mu się opisać przyciąganie grawitacyjne gwiazd i planet, ale wydaje się, że nie jest to prawdą we wszystkich skalach.

ogólna teoria względności Przeszedł wiele lat testów obserwacyjnych, od Pomiar Eddingtona Od dyfrakcji światła gwiazd od Słońca w 1919 do Najnowsza detekcja fal grawitacyjnych.

Jednak luki w naszym rozumieniu zaczynają pojawiać się, gdy próbujemy zastosować je na bardzo małych odległościach i gdzie Działają prawa mechaniki kwantowejlub gdy próbujemy opisać cały wszechświat.

Nasze nowe badanie, Opublikowany w astronomia naturalnaTeraz przetestował teorię Einsteina w największych skalach.

Wierzymy, że nasze podejście może pewnego dnia pomóc rozwiązać niektóre z największych tajemnic kosmologii, a wyniki sugerują, że ogólna teoria względności może wymagać modyfikacji w tej skali.

wadliwy model?

Teoria kwantów przewiduje, że pusta przestrzeń, pustka, jest pełna energii. Nie zauważamy ich obecności, ponieważ nasze urządzenia mierzą jedynie zmiany energii, a nie ich całkowitą ilość.

Jednak według Einsteina energia próżni działa odpychająco – odpycha pustą przestrzeń. Co ciekawe, w 1998 roku odkryto, że ekspansja Wszechświata w rzeczywistości przyspiesza (odkrycie to zostało 2011 Nagroda Nobla w dziedzinie fizyki).

Jednak ilość energii próżni lub ciemna energia Jak to się nazywa, konieczne jest wyjaśnienie, że przyspieszenie jest o wiele rzędów wielkości mniejsze niż przewiduje teoria kwantowa.

Stąd wielkie pytanie, nazwane „Starym Problemem Stałej Kosmologicznej”, brzmi, czy energia próżni jest naprawdę przyciągana – powodując powstanie siły grawitacji i zmieniając ekspansję wszechświata.

Jeśli tak, to dlaczego jego przyciąganie jest o wiele słabsze niż oczekiwano? Jeśli próżnia w ogóle nie jest przyciągana, co powoduje kosmiczne przyspieszenie?

Nie wiemy, czym jest ciemna energia, ale musimy postulować jej istnienie, aby wyjaśnić rozszerzanie się wszechświata.

Podobnie, musimy również założyć, że istnieje pewien rodzaj niewidzialnej materii nazwanej Ciemna materiaAby wyjaśnić, jak ewoluowały galaktyki i gromady, aby były sposobem, w jaki obserwujemy je dzisiaj.

Te założenia zostały włączone do standardowej teorii kosmologicznej naukowców, zwanej modelem zimnej ciemnej materii Lambda (LCDM), która sugeruje, że we wszechświecie znajduje się 70 procent ciemnej energii, 25 procent ciemnej materii i 5 procent zwykłej materii. Model ten okazał się niezwykle skuteczny w dopasowaniu wszystkich danych zebranych przez kosmologów w ciągu ostatnich 20 lat.

Jednak fakt, że większość wszechświata składa się z sił i ciemnej materii, które przyjmują dziwne, bezsensowne wartości, skłonił wielu fizyków do zastanawiania się, czy teoria grawitacji Einsteina wymaga modyfikacji, aby opisać cały wszechświat.

Nowy rozwój pojawił się kilka lat temu, kiedy stało się jasne, że różne sposoby mierzenia tempa ekspansji kosmicznej, zwane Stała Hubble’apodawaj różne odpowiedzi – problem znany jako Napięcie Hubble’a.

Niezgodność lub napięcie między dwiema wartościami stałej Hubble’a.

Pierwsza to liczba przewidziana przez model kosmologiczny LCDM, który został opracowany w celu dopasowania Światło pozostawione przez Wielki Wybuch (The kosmiczne mikrofalowe tło promieniowanie).

Drugi to tempo ekspansji, które mierzy się obserwując supernowe w odległych galaktykach.

Zaproponowano kilka teoretycznych pomysłów na metody modulacji LCDM, aby wyjaśnić napięcie Hubble’a. Wśród nich są alternatywne teorie grawitacji.

Szukam odpowiedzi

Możemy zaprojektować testy, aby sprawdzić, czy wszechświat przestrzega zasad teorii Einsteina.

Ogólna teoria względności opisuje grawitację jako krzywiznę lub ugięcie przestrzeni i czasu, które zakrzywia ścieżki, wzdłuż których podróżuje światło i materia. Co ważne, przewiduje, że ścieżki promieni światła i materii powinny być zakrzywiane przez grawitację w ten sam sposób.

Razem z zespołem kosmologów przetestowaliśmy podstawowe prawa ogólnej teorii względności. Zbadaliśmy również, czy modyfikacja teorii Einsteina może pomóc w rozwiązaniu niektórych otwartych problemów kosmologicznych, takich jak napięcie Hubble’a.

Aby dowiedzieć się, czy ogólna teoria względności jest prawdziwa w dużej skali, po raz pierwszy postanowiliśmy zbadać jednocześnie trzy jej aspekty. Były to ekspansja wszechświata, wpływ grawitacji na światło i wpływ grawitacji na materię.

Używając metody statystycznej znanej jako wnioskowanie bayesowskie, zrekonstruowaliśmy grawitację wszechświata poprzez kosmiczną historię w modelu komputerowym opartym na tych trzech parametrach.

Możemy oszacować parametry za pomocą kosmicznych mikrofalowych danych tła z satelity Planck, katalogów supernowych oraz obserwacji kształtów i rozmieszczenia odległych galaktyk za pomocą SDSS A DE teleskopy.

Następnie porównaliśmy naszą rekonstrukcję z przewidywaniem do modelu LCDM (zasadniczo modelu Einsteina).

Znaleźliśmy interesujące wskazówki dotyczące możliwej niezgodności z przewidywaniami Einsteina, aczkolwiek z raczej niską istotnością statystyczną.

Oznacza to, że nadal istnieje możliwość, że grawitacja będzie działać inaczej w dużej skali i że ogólna teoria względności może wymagać modyfikacji.

Nasze badanie wykazało również, że bardzo trudno jest rozwiązać problem napięcia Hubble’a po prostu zmieniając teorię grawitacji.

Być może kompletne rozwiązanie wymagałoby nowego komponentu modelu kosmologicznego, który istniał przed czasem, gdy protony i elektrony po raz pierwszy połączyły się, tworząc wodór po wielka eksplozjatakie jak specjalna forma ciemnej materii, wczesny rodzaj ciemnej energii lub pierwotne pola magnetyczne.

A może w danych jest nieznany błąd systematyczny.

Jednak nasze badanie wykazało, że możliwe jest sprawdzenie poprawności ogólnej teorii względności w kosmicznych odległościach przy użyciu danych obserwacyjnych. Chociaż nie rozwiązaliśmy jeszcze problemu Hubble’a, za kilka lat będziemy mieć dużo danych z nowych sond.

Oznacza to, że będziemy w stanie wykorzystać te metody statystyczne do dalszej modyfikacji ogólnej teorii względności i zbadania ograniczeń modyfikacji, aby utorować drogę do rozwiązania niektórych otwartych wyzwań w kosmologii.

Kazuya Koyamaprofesor kosmologii, Uniwersytet Portsmouth A Lewon Bogosianprofesor fizyki, Uniwersytet Simona Frasera

Ten artykuł został ponownie opublikowany z Rozmowa Na licencji Creative Commons. Przeczytać oryginalny artykuł.