Ученые проверили теорию относительности Эйнштейна в космическом масштабе и обнаружили кое-что странное

Все во Вселенной имеет гравитацию и тоже ее чувствует. Тем не менее, это наиболее распространенное из всех фундаментальных взаимодействий также представляет собой самую большую проблему для физиков.

Общая теория относительности Альберта Эйнштейна оказалась удивительно успешной в описании гравитации звезд и планет, но это не так. кажется, что она применима во всех масштабах.

Общая теория относительности прошла многолетние наблюдательные проверки, от измерения Эддингтоном отклонения звездного света Солнцем в 1919 году до недавнего обнаружения гравитационных волн.

>

Однако пробелы в нашем понимании начинают появляться, когда мы пытаемся применить его к чрезвычайно малым расстояниям, где действуют законы квантовой механики, или когда мы пытаемся описать всю Вселенную.

Наша Новое исследование, опубликованное в журнале Nature Astronomy, уже проверило теорию Эйнштейна в самом крупном масштабе.

Мы считаем, что однажды наш подход может помочь решить некоторые из самых больших загадок космологии, и результаты намекают на то, что теория общей теории относительности, возможно, придется подправить t его масштаб.

Ошибочная модель?

Квантовая теория предсказывает, что пустое пространство, вакуум, заполнено энергией. Мы не замечаем ее присутствия, потому что наши приборы могут измерять только изменения энергии, а не ее общее количество.

Однако, по Эйнштейну, энергия вакуума обладает отталкивающей гравитацией — она раздвигает пустое пространство. Интересно, что в 1998 г. было обнаружено, что расширение Вселенной на самом деле ускоряется (это открытие было удостоено Нобелевской премии по физике 2011 г.).

Однако количество энергии вакуума, или темной энергии, как это было названо необходимым для объяснения того, что ускорение на много порядков меньше, чем предсказывает квантовая теория.

Отсюда большой вопрос, получивший название «старая проблема космологической постоянной», заключается в том, действительно ли энергия вакуума тяготеет – оказывая гравитационное воздействие и изменяя расширение Вселенной.

Если да, то почему ее гравитация намного слабее, чем предсказывалось? Если вакуум вообще не притягивается, что вызывает космическое ускорение?

Мы не знаем, что такое темная энергия, но нам нужно предположить, что она существует, чтобы объяснить расширение Вселенной.

p>

Аналогичным образом нам также необходимо предположить, что существует тип присутствия невидимой материи, называемой темной материей, чтобы объяснить, как галактики и скопления эволюционировали так, как мы наблюдаем их сегодня.

Эти предположения включены в стандартную космологическую теорию ученых, называемую моделью лямбда-холодной темной материи (LCDM), предполагающую, что в космосе содержится 70 процентов темной энергии, 25 процентов темной материи и 5 процентов обычной материи. И эта модель удивительно успешно согласуется со всеми данными, собранными космологами за последние 20 лет.

Но тот факт, что большая часть Вселенной состоит из темных сил и веществ, принимающих странные значения, не не имеет смысла, побудило многих физиков задаться вопросом, нуждается ли теория гравитации Эйнштейна в модификации для описания всей Вселенной.

Несколько лет назад появился новый поворот, когда стало очевидно, что различные способы измерения скорости космического расширения, называемого постоянной Хаббла, дают разные ответы — проблема, известная как напряжение Хаббла.

Разногласие или напряжение возникает между двумя значениями постоянной Хаббла.

Одно из них — это число, предсказанное космологической моделью LCDM, которая была разработана для соответствия свету, оставшемуся после Большого взрыва (космическое микроволновое фоновое излучение).

Другое — это скорость расширения, измеренная путем наблюдения за взрывом. звезды, известные как сверхновые в далеких галактиках.

Многие теоретические были предложены способы модификации LCDM для объяснения хаббловского натяжения. Среди них есть альтернативные теории гравитации.

В поисках ответов

Мы можем разработать тесты, чтобы проверить, подчиняется ли Вселенная правилам теории Эйнштейна.

Общая теория относительности описывает гравитация как искривление или деформация пространства и времени, искривление путей, по которым путешествуют свет и материя. Важно отметить, что он предсказывает, что траектории световых лучей и материи должны изгибаться под действием гравитации таким же образом.

Вместе с командой космологов мы проверяем основные законы общей теории относительности. Мы также исследовали, может ли модификация теории Эйнштейна помочь решить некоторые открытые проблемы космологии, такие как хаббловское напряжение.

Чтобы выяснить, верна ли общая теория относительности в больших масштабах, мы сначала решили время, чтобы одновременно исследовать три его аспекта. Это расширение Вселенной, влияние гравитации на свет и влияние гравитации на материю.

Используя статистический метод, известный как байесовский вывод, мы реконструировали гравитацию Вселенной через космическую историю. в компьютерной модели, основанной на этих трех параметрах.

Мы могли бы оценить параметры, используя данные космического микроволнового фона со спутника Planck, каталоги сверхновых, а также наблюдения формы и распределения далеких галактик с помощью SDSS и телескопы DES.

Затем мы сравнили нашу реконструкцию с предсказанием модели LCDM (по сути, модели Эйнштейна).

Мы обнаружили интересные намеки на возможное несоответствие предсказанию Эйнштейна, хотя и с довольно низкая статистическая значимость.

Это означает, что, тем не менее, существует вероятность того, что гравитация работает по-разному на больших масштабах, и что общую теорию относительности, возможно, потребуется изменить.

Наше исследование также обнаружил, что это очень сложно Чтобы решить проблему хаббловского натяжения, достаточно лишь изменить теорию гравитации.

Для полного решения, вероятно, потребуется новый компонент космологической модели, существовавший до того времени, когда протоны и электроны впервые объединились, чтобы сформировать водород. после Большого взрыва, такие как особая форма темной материи, ранний тип темной энергии или первичные магнитные поля.

Или, возможно, в данных есть еще неизвестная систематическая ошибка.

Тем не менее, наше исследование показало, что можно проверить справедливость общей теории относительности на космологических расстояниях, используя данные наблюдений. Хотя мы еще не решили проблему Хаббла, через несколько лет у нас будет гораздо больше данных с новых зондов.

Это означает, что мы сможем использовать эти статистические методы для дальнейшей настройки общей теории относительности. , исследуя пределы модификаций, чтобы проложить путь к решению некоторых открытых проблем космологии.

Казуя Кояма, профессор космологии, Портсмутский университет, и Левон Погосян, профессор физики, Университет Саймона Фрейзера

Эта статья переиздана из The Conversation под лицензией Creative Commons. Прочтите исходную статью.