Ученые проверили теорию относительности Эйнштейна и обнаружили нечто странное Общая теория относительности Альберта Эйнштейна на удивление удачно описывает гравитацию звезд и планет, но, судя по всему, она применима не во всех масштабах, пишет ScienceAlert. (12 ноября)
Общая теория относительности прошла многолетнюю наблюдательную проверку, начиная с измерений Эддингтоном отклонений видимого положения звезд гравитационным полем Солнца в 1919 г. и заканчивая недавним открытием гравитационных волн.
Однако пробелы в понимании ученых начинают появляться, когда они пытаются применить ее к предельно малым расстояниям, где действуют законы квантовой механики, или когда они пытаются описать всю Вселенную.
Новое исследование, опубликованное в журнале Nature Astronomy, проверяет теорию Эйнштейна в самом большом масштабе. Ученые считают, что их подход может однажды помочь решить некоторые из самых больших загадок космологии, и результаты намекают на то, что общую теорию относительности, возможно, потребуется изменить в этом масштабе.
Дефектная модель?
Квантовая теория предсказывает, что пустое пространство, вакуум, заполнено энергией. Ученые не обнаруживают ее присутствия, потому что их приборы могут измерять только изменения энергии, а не ее общее количество.
Однако, согласно Эйнштейну, энергия вакуума обладает силой отталкивания — она раздвигает пустое пространство. Интересно, что в 1998 году было обнаружено, что расширение Вселенной на самом деле ускоряется (открытие, за которое в 2011 году была присуждена Нобелевская премия по физике).
Однако количество энергии вакуума или темной энергии, необходимое для объяснения ускорения, на много порядков меньше, чем предсказывает квантовая теория.
Таким образом, большой вопрос, называемый старой проблемой космологической постоянной, заключается в том, действительно ли энергия вакуума тяготеет, оказывая гравитационную силу и изменяя расширение Вселенной.
Если так, то почему его гравитация намного слабее, чем предполагалось? Если вакуум вообще не тяготеет, что вызывает космическое ускорение? Мы не знаем, что такое темная энергия, но должны предположить, что она существует, чтобы объяснить расширение Вселенной.
Точно так же мы должны предположить присутствие невидимой материи, называемой темной материей, чтобы объяснить, как галактики и скопления галактик эволюционировали, чтобы стать тем, что мы наблюдаем сегодня.
Эти предположения включены в стандартную космологическую теорию ученых, называемую CDM (лямбда холодной темной материи) или лямбда-CDM, которая предполагает, что Вселенная на 70 процентов состоит из темной энергии, на 25 процентов из темной материи и на 5 процентов из обычной материи. И эта модель удивительно успешно согласовывалась со всеми данными, собранными космологами за последние 20 лет.
Но тот факт, что большая часть Вселенной состоит из темных энергии и материи, принимающей странные значения, которые не имеют смысла, заставил многих физиков задаться вопросом, нуждается ли теория гравитации Эйнштейна в модификации для описания всей Вселенной.
Новый поворот произошел несколько лет назад, когда стало ясно, что разные способы измерения скорости космического расширения, называемой постоянной Хаббла, дают разные ответы — проблема, известная как напряжение Хаббла.
Разногласие или напряжение возникает между двумя значениями постоянной Хаббла. Один из них — это число, предсказанное космологической моделью CDM, разработанной для соответствия свету, оставшемуся после Большого взрыва (космическое микроволновое фоновое излучение). Другой — скорость расширения, измеряемая путем наблюдения за взрывающимися звездами, известными как сверхновые, в далеких галактиках.
Было предложено много теоретических идей о способах модификации CDM для учета напряжения Хаббла. Среди них альтернативные теории гравитации.
Поиск ответов
Ученые могут создавать тесты, чтобы проверить, подчиняется ли Вселенная правилам теории Эйнштейна.
Общая теория относительности описывает гравитацию как искажение пространства-времени, искривляющее пути, по которым движутся свет и материя. Она предсказала, что траектории световых лучей и материи должны изгибаться под действием гравитации таким же образом.
Группа физиков и космологов проверила основные законы общей теории относительности и исследовала, 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, ученые впервые решили исследовать одновременно три ее аспекта. Это были расширение Вселенной, влияние гравитации на свет и влияние гравитации на материю.
Используя статистический метод, известный как теорема Байеса, исследователи реконструировали гравитацию Вселенной через космическую историю в компьютерной модели, основанной на этих трех параметрах. Ученые оценили параметры, используя данные космического микроволнового фона с телескопа «Планк», каталоги сверхновых и наблюдения за формой и распределением далеких галактик с телескопов SDSS и DES. Затем они сравнили реконструкцию с предсказанием модели CDM (по сути, модели Эйнштейна).
Исследователи обнаружили интересные намеки на возможное расхождение с предсказанием Эйнштейна, хотя и с довольно низкой статистической значимостью. Это означает, что все еще существует вероятность того, что гравитация работает по-другому в больших масштабах, и что, возможно, потребуется изменить общую теорию относительности.
Исследование также показало, что очень сложно решить проблему напряжения Хаббла, просто изменив теорию гравитации. Полное решение, вероятно, потребует нового компонента космологической модели, существовавшего до того времени, когда протоны и электроны впервые объединились, чтобы сформировать водород сразу после Большого взрыва, например, особая форма темной материи, ранний тип темной энергии или первичная энергия магнитного поля.
Или, может быть, в данных есть пока неизвестная системная ошибка.
Однако исследование показывает, что можно проверить справедливость общей теории относительности на космологических расстояниях, используя данные наблюдений. Хотя ученые еще не решили проблему Хаббла, они рассчитывают получить гораздо больше данных от новых зондов через несколько лет.