Všetko vo vesmíre má gravitáciu – a tiež ju cíti. Je to však aj táto najbežnejšia základná sila, ktorá predstavuje pre fyzikov najväčšie výzvy.

Všeobecná teória relativity Alberta Einsteina Bolo to pozoruhodne úspešné pri opise gravitačnej príťažlivosti hviezd a planét, no nezdá sa, že by to bola celkom pravda vo všetkých mierkach.

všeobecná relativita Prešiel dlhoročnými pozorovacími skúškami, od r Eddingtonovo meranie Z difrakcie hviezdneho svetla od Slnka v roku 1919 do Najnovšia detekcia gravitačných vĺn.

Medzery v našom chápaní sa však začínajú objavovať, keď sa ho snažíme aplikovať na veľmi malé vzdialenosti a kde Zákony kvantovej mechaniky fungujúalebo keď sa snažíme opísať celý vesmír.

Naša nová štúdia, Publikované v prírodná astronómiaTeraz otestoval Einsteinovu teóriu na tých najväčších mierkach.

Veríme, že náš prístup môže jedného dňa pomôcť vyriešiť niektoré z najväčších záhad v kozmológii a výsledky naznačujú, že všeobecnú teóriu relativity možno bude potrebné v tejto mierke upraviť.

chybný model?

Kvantová teória predpovedá, že prázdny priestor, prázdnota, je plný energie. Ich prítomnosť si nevšímame, pretože naše zariadenia dokážu merať iba zmeny energie a nie ich celkové množstvo.

Podľa Einsteina má však energia vákua odpudzujúcu príťažlivosť – odtláča prázdny priestor. Je zaujímavé, že v roku 1998 sa zistilo, že rozpínanie vesmíru sa v skutočnosti zrýchľuje (objav, ktorý bol udelený 2011 Nobelova cena za fyziku).

Avšak množstvo energie vákua, príp temná energia Ako už bolo nazvané, je potrebné vysvetliť, že zrýchlenie je o mnoho rádov menšie, ako predpovedá kvantová teória.

Veľkou otázkou, nazvanou „Starý kozmologický konštantný problém“, je teda to, či je energia vákua skutočne priťahovaná – čo spôsobuje vznik gravitačnej sily a mení expanziu vesmíru.

Ak áno, prečo je jeho príťažlivosť oveľa slabšia, ako sa očakávalo? Ak sa vákuum vôbec nepriťahuje, čo spôsobuje kozmické zrýchlenie?

Nevieme, čo je temná energia, ale musíme predpokladať jej existenciu, aby sme vysvetlili expanziu vesmíru.

Podobne musíme tiež predpokladať, že existuje nejaký druh existencie dabovanej neviditeľnej hmoty temná hmotaAby sme vysvetlili, ako sa galaxie a zhluky vyvinuli tak, ako ich dnes pozorujeme.

Tieto predpoklady boli začlenené do štandardnej kozmologickej teórie vedcov, nazvanej Cold Dark Matter Lambda Model (LCDM) – čo naznačuje, že vo vesmíre je 70 percent tmavej energie, 25 percent tmavej hmoty a 5 percent bežnej hmoty. Tento model bol pozoruhodne úspešný pri prispôsobení všetkých údajov, ktoré kozmológovia zhromaždili za posledných 20 rokov.

Ale skutočnosť, že väčšina vesmíru pozostáva zo síl a temnej hmoty, ktoré nadobúdajú zvláštne, nezmyselné hodnoty, priviedla mnohých fyzikov k úvahe, či nie je potrebné modifikovať Einsteinovu teóriu gravitácie, aby opísala celý vesmír.

Pred niekoľkými rokmi sa objavil nový vývoj, keď sa ukázalo, že rôzne spôsoby merania rýchlosti kozmickej expanzie, tzv Hubbleova konštantadať rôzne odpovede – problém známy ako Hubbleovo napätie.

Nezhoda alebo napätie medzi dvoma hodnotami Hubbleovej konštanty.

Prvým je číslo predpovedané kozmologickým modelom LCDM, ktorý bol vyvinutý tak, aby sa zhodoval Svetlo, ktoré zanechal Veľký tresk (The kozmické mikrovlnné pozadie žiarenie).

Druhým je rýchlosť expanzie, ktorá sa meria pozorovaním supernov vo vzdialených galaxiách.

Na vysvetlenie Hubbleovho napätia bolo navrhnutých niekoľko teoretických nápadov pre metódy modulácie LCDM. Medzi nimi sú alternatívne teórie gravitácie.

Hľadanie odpovedí

Môžeme navrhnúť testy, aby sme skontrolovali, či vesmír dodržiava pravidlá Einsteinovej teórie.

Všeobecná relativita popisuje gravitáciu ako zakrivenie alebo vychýlenie priestoru a času, ktoré ohýba cesty, po ktorých sa pohybuje svetlo a hmota. Dôležité je, že predpovedá, že dráhy svetla a lúčov hmoty by mali byť gravitáciou ohnuté rovnakým spôsobom.

Spolu s tímom kozmológov sme testovali základné zákony všeobecnej relativity. Skúmali sme tiež, či by modifikácia Einsteinovej teórie mohla pomôcť vyriešiť niektoré otvorené problémy v kozmológii, ako je Hubbleovo napätie.

Aby sme zistili, či je všeobecná relativita pravdivá vo veľkých mierkach, po prvýkrát sme sa rozhodli preskúmať jej tri aspekty súčasne. Išlo o rozpínanie vesmíru, účinky gravitácie na svetlo a účinky gravitácie na hmotu.

Pomocou štatistickej metódy známej ako Bayesovská inferencia sme zrekonštruovali gravitáciu vesmíru prostredníctvom kozmickej histórie v počítačovom modeli založenom na týchto troch parametroch.

Parametre môžeme odhadnúť pomocou údajov kozmického mikrovlnného pozadia zo satelitu Planck, katalógov supernov, ako aj pozorovaní tvarov a distribúcie vzdialených galaxií SDSS A DE teleskopy.

Potom sme porovnali našu rekonštrukciu s predpoveďou s modelom LCDM (v podstate Einsteinov model).

Našli sme zaujímavé rady o možnom nesúlade s Einsteinovými predpoveďami, aj keď s pomerne nízkou štatistickou významnosťou.

To znamená, že stále existuje možnosť, že gravitácia bude vo veľkých mierkach fungovať inak a že možno bude potrebné upraviť všeobecnú teóriu relativity.

Naša štúdia tiež zistila, že je veľmi ťažké vyriešiť problém Hubbleovho napätia len zmenou teórie gravitácie.

Úplné riešenie by si možno vyžadovalo nový komponent kozmologického modelu, ktorý existoval pred časom, keď sa protóny a elektróny prvýkrát spojili a vytvorili vodík po veľký výbuchako je špeciálna forma temnej hmoty, skorý typ temnej energie alebo prvotné magnetické polia.

Alebo možno existuje neznáma systematická chyba v údajoch.

Naša štúdia však ukázala, že je možné testovať platnosť všeobecnej teórie relativity na kozmické vzdialenosti pomocou pozorovacích údajov. Zatiaľ čo problém s Hubbleom sme ešte nevyriešili, o pár rokov budeme mať veľa údajov z nových sond.

To znamená, že budeme môcť použiť tieto štatistické metódy na ďalšie úpravy všeobecnej teórie relativity a na skúmanie hraníc modifikácií, aby sme pripravili cestu pre riešenie niektorých otvorených výziev v kozmológii.

Kazuya Koyamaprofesor kozmológie, Univerzita v Portsmouthe A Levon Bogosianprofesor fyziky, Univerzita Simona Frasera

Tento článok bol znovu publikovaný z Konverzácia Pod licenciou Creative Commons. Čítať pôvodný článok.