Viskas visatoje turi gravitaciją – ir ją taip pat jaučia. Tačiau ši labiausiai paplitusi pagrindinė jėga yra ir didžiausias iššūkis fizikams.

Alberto Einšteino bendroji reliatyvumo teorija Tai buvo nepaprastai sėkminga apibūdinant žvaigždžių ir planetų gravitacinę trauką, tačiau atrodo, kad tai ne visais masteliais.

bendrasis reliatyvumas Išlaikė daugelio metų stebėjimo testus, nuo Eddingtono matavimas Nuo žvaigždės šviesos difrakcijos nuo saulės 1919 m Naujausias gravitacinių bangų aptikimas.

Tačiau mūsų supratimo spragos pradeda ryškėti, kai bandome tai pritaikyti labai mažais atstumais ir kur Kvantinės mechanikos dėsniai veikiaarba kai bandome apibūdinti visą visatą.

Mūsų naujas tyrimas, Paskelbta gamtos astronomijaDabar jis išbandė Einšteino teoriją didžiausiu mastu.

Manome, kad mūsų požiūris vieną dieną gali padėti išspręsti kai kurias didžiausias kosmologijos paslaptis, o rezultatai rodo, kad bendrąjį reliatyvumą gali prireikti keisti šiuo mastu.

su defektu modelis?

Kvantinė teorija numato, kad tuščia erdvė, tuštuma, yra pilna energijos. Mes nepastebime jų buvimo, nes mūsų prietaisai gali matuoti tik energijos pokyčius, o ne bendrą jų kiekį.

Tačiau, anot Einšteino, vakuumo energija turi atstumiantį potraukį – ji išstumia tuščią erdvę. Įdomu tai, kad 1998 m. buvo atrasta, kad visatos plėtimasis iš tikrųjų spartėja (atradimas, kuris buvo suteiktas 2011 m. Nobelio fizikos premija).

Tačiau vakuuminės energijos kiekis, arba tamsioji energija Kaip buvo vadinama, būtina paaiškinti, kad pagreitis yra daug dydžių mažesnis nei numato kvantinė teorija.

Taigi didelis klausimas, pramintas „senąja kosmologine konstantine problema“, yra tai, ar vakuuminė energija iš tikrųjų traukiama, sukelianti gravitacijos jėgą ir keičianti visatos plėtimąsi.

Jei taip, kodėl jo patrauklumas yra daug silpnesnis nei tikėtasi? Jei vakuumas visai nepritraukiamas, kas sukelia kosminį pagreitį?

Mes nežinome, kas yra tamsioji energija, bet turime postuluoti jos egzistavimą, kad paaiškintume visatos plėtimąsi.

Taip pat turime manyti, kad egzistuoja tam tikra nematoma materija, pavadinta Juodoji medžiagaPaaiškinti, kaip galaktikos ir spiečiai išsivystė taip, kaip mes jas stebime šiandien.

Šios prielaidos buvo įtrauktos į mokslininkų standartinę kosmologinę teoriją, vadinamą šaltosios tamsiosios medžiagos lambda modeliu (LCDM), kuri rodo, kad visatoje yra 70 procentų tamsiosios energijos, 25 procentai tamsiosios medžiagos ir 5 procentai įprastos materijos. Šis modelis nepaprastai sėkmingai suderino visus duomenis, kuriuos kosmologai surinko per pastaruosius 20 metų.

Tačiau faktas, kad didžiąją visatos dalį sudaro jėgos ir tamsioji materija, kurios įgauna keistas, beprasmes vertybes, daugelį fizikų privertė susimąstyti, ar Einšteino gravitacijos teoriją reikia modifikuoti, kad ji apibūdintų visą visatą.

Prieš keletą metų atsirado nauja raida, kai paaiškėjo, kad įvairūs kosminio plėtimosi greičio matavimo būdai, vadinami Hablo konstantapateikti skirtingus atsakymus – problema žinoma kaip Hablo įtampa.

Nesutarimas arba įtampa tarp dviejų Hablo konstantos verčių.

Pirmasis yra skaičius, numatytas LCDM kosmologinio modelio, kuris buvo sukurtas taip, kad atitiktų Didžiojo sprogimo palikta šviesa ( kosminis mikrobangų fonas spinduliuotė).

Kitas yra plėtimosi greitis, kuris matuojamas stebint supernovas tolimose galaktikose.

Siekiant paaiškinti Hablo įtampą, buvo pasiūlytos kelios teorinės LCDM moduliavimo metodų idėjos. Tarp jų yra alternatyvių gravitacijos teorijų.

Ieškant atsakymų

Galime sukurti testus, kad patikrintume, ar visata paklūsta Einšteino teorijos taisyklėms.

Bendroji reliatyvumo teorija gravitaciją apibūdina kaip erdvės ir laiko kreivumą arba poslinkį, kuris išlenkia kelius, kuriais keliauja šviesa ir medžiaga. Svarbu tai, kad jis numato, kad šviesos ir materijos spindulių kelius gravitacija turėtų lenkti vienodai.

Kartu su kosmologų komanda išbandėme pagrindinius bendrosios reliatyvumo dėsnius. Taip pat ištyrėme, ar Einšteino teorijos modifikavimas galėtų padėti išspręsti kai kurias atviras kosmologijos problemas, tokias kaip Hablo įtampa.

Norėdami išsiaiškinti, ar bendrasis reliatyvumas yra teisingas dideliais masteliais, pirmą kartą nusprendėme vienu metu ištirti tris jo aspektus. Tai buvo visatos plėtimasis, gravitacijos poveikis šviesai ir gravitacijos poveikis medžiagai.

Naudodami statistinį metodą, žinomą kaip Bajeso išvada, kompiuteriniame modelyje, pagrįstu šiais trimis parametrais, per kosminę istoriją atkūrėme visatos gravitaciją.

Mes galime įvertinti parametrus naudodami kosminius mikrobangų foninius duomenis iš Planck palydovo, supernovų katalogus, taip pat tolimų galaktikų formų ir pasiskirstymo stebėjimus. SDSS Ir DE teleskopai.

Tada palyginome savo rekonstrukciją su prognoze su LCDM modeliu (iš esmės Einšteino modeliu).

Radome įdomių užuominų apie galimą neatitikimą su Einšteino prognozėmis, nors ir su gana mažu statistiniu reikšmingumu.

Tai reiškia, kad vis dar yra tikimybė, kad gravitacija dideliais mastais veiks kitaip, ir kad gali tekti keisti bendrąjį reliatyvumą.

Mūsų tyrimas taip pat nustatė, kad labai sunku išspręsti Hablo įtampos problemą tiesiog pakeitus gravitacijos teoriją.

Galbūt pilnam sprendimui prireiktų naujo kosmologinio modelio komponento, kuris egzistavo dar prieš tai, kai protonai ir elektronai pirmą kartą susijungė ir sudaro vandenilį. didysis sprogimaspavyzdžiui, ypatinga tamsiosios materijos forma, ankstyvoji tamsiosios energijos rūšis arba pirminiai magnetiniai laukai.

O gal duomenyse yra nežinoma sisteminė klaida.

Tačiau mūsų tyrimas parodė, kad naudojant stebėjimo duomenis įmanoma patikrinti bendrosios reliatyvumo teorijos pagrįstumą kosminiais atstumais. Nors Hablo problemos dar neišsprendėme, po kelerių metų turėsime daug duomenų iš naujų zondų.

Tai reiškia, kad galėsime naudoti šiuos statistinius metodus, kad toliau modifikuotų bendrąjį reliatyvumą ir ištirtume modifikacijų ribas, kad atvertume kelią kai kurių atvirų kosmologijos iššūkių sprendimui.

Kazuya Koyamakosmologijos profesorius, Portsmuto universitetas Ir Levonas Bogosianasfizikos profesorius, Simono Fraserio universitetas

Šis straipsnis buvo perspausdintas iš Pokalbis Pagal Creative Commons licenciją. Skaityti originalus straipsnis.