Die beeindruckende Vorhersagekraft von lässt sich nicht leugnen Albert EinsteinDie Gravitationstheorie von 1915, die Allgemeine Relativitätstheorie – doch die Theorie weist immer noch Inkonsistenzen auf, wenn es darum geht, ihre Wirkung über große Entfernungen zu berechnen. Und neue Forschungsergebnisse deuten darauf hin, dass diese Inkonsistenzen das Ergebnis einer „kosmischen Störung“ in der Schwerkraft selbst sein könnten.
In den 109 Jahren seit ihrer ersten Formulierung blieb die Allgemeine Relativitätstheorie unsere beste Beschreibung der Schwerkraft auf galaktischer Ebene; Experimente haben die Richtigkeit immer wieder bestätigt. Diese Theorie wurde auch verwendet, um Aspekte des Universums vorherzusagen, die später durch Beobachtung bestätigt werden sollten. Dazu gehören der Urknall, die Existenz von Schwarzen Löchern, die Gravitationslinse des Lichts und winzige Wellen in der Raumzeit, sogenannte Gravitationswellen.
Allerdings bietet uns die Allgemeine Relativitätstheorie, ebenso wie die Newtonsche Gravitationstheorie, die sie übertraf, möglicherweise kein vollständiges Bild dieser rätselhaften Kraft.
„Dieses Schwerkraftmodell war für alles von entscheidender Bedeutung, von der Urknalltheorie bis zur Fotografie von Schwarzen Löchern“, sagte Robin Wen vom Mathematical Physics Orogram an der University of Waterloo in einer Erklärung. „Aber wenn wir versuchen, die Schwerkraft auf der kosmischen Skala, auf der Skala von Galaxienhaufen und darüber hinaus zu verstehen, stoßen wir auf offensichtliche Widersprüche mit den Vorhersagen der Allgemeinen Relativitätstheorie.“
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„Bei Entfernungen in der Größenordnung von Milliarden Lichtjahren wird die Schwerkraft um etwa ein Prozent schwächer“, sagte Wen. „Wir nennen diese Inkonsistenz ein ‚kosmisches Problem‘. Es ist fast so, als ob die Schwerkraft selbst nicht mehr perfekt zu Einsteins Theorie passt. »
Das vom Team beschriebene kosmische Problem würde eine Änderung eines Wertes namens Gravitationskonstante erfordern. Diese Veränderung würde eintreten, wenn die Berechnungen dem „Superhorizont“ oder der maximalen Entfernung, die das Licht seit der Entstehung des Universums zurückgelegt haben könnte, näherkommen.
Diese Anpassung kann nach Angaben des Teams durch Hinzufügen einer einzigen Erweiterung zum standardmäßigen kosmologischen Modell vorgenommen werden. Dieses Modell ist als Lambda-Modell der kalten dunklen Materie bekannt. Wenn die Änderung abgeschlossen ist, wird erwartet, dass sie Inkonsistenzen bei Messungen auf kosmologischen Skalen beseitigt, ohne bestehende erfolgreiche Anwendungen der Allgemeinen Relativitätstheorie zu beeinträchtigen.
Was ist allgemeine Relativitätstheorie und könnte sie falsch sein?
Die Entdeckung der Allgemeinen Relativitätstheorie war deshalb so revolutionär, weil sie die Schwerkraft nicht als mysteriöse Kraft beschrieb, sondern postulierte, dass die Schwerkraft aus der Krümmung des eigentlichen Gefüges von Raum und Zeit entsteht, vereint in einer einzigen Einheit namens „Raumzeit“. Und diese Krümmung wird, wie Einstein erkannte, durch Objekte mit Masse geformt.
Stellen Sie sich vor, Sie legen Kugeln mit zunehmender Masse auf eine gespannte Gummiplatte. Ein Tennisball würde eine kleine, kaum wahrnehmbare Delle hinterlassen; ein Cricketball würde eine deutlichere Delle hinterlassen; und eine Bowlingkugel würde eine riesige Kurve verursachen, die wahrscheinlich alles, was sich auf dem Blatt befand, zu sich heranzog. Es ist das gleiche Konzept mit Objekten im Raum, obwohl die Krümmung der Raumzeit in vier Dimensionen existiert, sodass es einige ziemlich signifikante Unterschiede gibt. Doch Monde haben weniger Masse als Planeten, Planeten weniger als Sterne und Sterne weniger als Galaxien – daher nehmen die Gravitationseinflüsse dieser Himmelskörper entsprechend zu.
Einsteins Gravitationstheorie war so etwas wie ein Nachfolger der Newtonschen Theorie, obwohl letztere im Erdmaßstab immer noch recht gut funktioniert und genau genug ist, um Raketen zum Mond zu schicken. Dennoch könnte Einsteins Theorie Dinge erklären, die Newtons nicht erklären konnte, wie etwa die bizarre Umlaufbahn von Merkur um die Sonne.
Newton war nicht gerade gefälscht über die Schwerkraft – er lag einfach nicht auf der Skala von Planeten, Sternen und Galaxien.
Aber ist die allgemeine Relativitätstheorie falsch?
Nun ja, wahrscheinlich nicht. Als Theorie war sie zu genau bei der Vorhersage von Aspekten des Universums, die uns nicht bewusst waren. Beispielsweise wurde das erste vom Event Horizon Telescope aufgenommene Bild eines Schwarzen Lochs im April 2019 der Öffentlichkeit zugänglich gemacht. Dieses Bild war ziemlich schockierend, da das Erscheinen des supermassereichen Schwarzen Lochs M87* den Vorhersagen der Allgemeinen Relativitätstheorie ähnelte.
Wissenschaftler sind sich jedoch bewusst, dass die Allgemeine Relativitätstheorie einige Probleme aufweist, die möglicherweise einer Überarbeitung bedürfen. Beispielsweise lässt sich die Theorie nicht mit der Quantenmechanik vereinen; die beste Beschreibung, die wir für die Physik auf grundlegenden Ebenen haben, die kleiner als das Atom sind. Dies liegt vor allem daran, dass es derzeit keine Quantentheorie zur Beschreibung der Schwerkraft gibt.
Es scheint daher, dass Anpassungen der allgemeinen Relativitätstheorie irgendwann unvermeidlich erscheinen, um ihre Reichweite auf die kleinsten Maßstäbe des Universums – und laut diesem Team auf die größten Maßstäbe – auszudehnen.
Seit Jahrzehnten versuchen Forscher, ein mathematisches Modell zu erstellen, das der Allgemeinen Relativitätstheorie dabei hilft, ihre Inkonsistenzen zu überwinden, und angewandte Mathematiker und Astrophysiker an der University of Waterloo beschäftigen sich intensiv mit dieser Suche.
Allgemeine Relativitätstheorie ändern? Was!
Wenn die Idee, die allgemeine Relativitätstheorie zu revidieren, einer Ketzerei gleichkommt, bedenken Sie, dass dies nicht das erste Mal wäre, dass damit verbundene Theorien angepasst werden müssten.
Kurz nachdem Einstein diese Theorie erstmals eingeführt hatte, erweiterten er und andere sie und entwickelten eine Gleichung, die den Zustand des Universums beschreibt. Dank der Allgemeinen Relativitätstheorie sagte diese Gleichung voraus, dass sich das Universum verändern würde. Das Problem bestand darin, dass der damalige wissenschaftliche Konsens davon ausging, dass das Universum statisch sei. Und obwohl Einstein kein Unbekannter darin war, den Status quo auf den Kopf zu stellen, stimmte er zufällig mit diesem unveränderlichen kosmischen Bild überein.
Um sicherzustellen, dass die Allgemeine Relativitätstheorie ein statisches Universum vorhersagte, fügte Einstein einen „Fudge-Faktor“ hinzu, den er später als seinen „größten Fehler“ bezeichnete. Dies wird als kosmologische Konstante bezeichnet und durch den griechischen Buchstaben Lambda dargestellt. Diese Konstante verschwand aus dem Denken, als Edwin Hubble Einstein davon überzeugte, dass das Universum nicht statisch ist. Es expandiert, argumentierte er. Und soweit wir heute wissen, hatte Hubble tatsächlich Recht.
Lambda würde jedoch tatsächlich ein Comeback feiern. Im späten 20. Jahrhundert begann es eine andere Funktion zu erfüllen, als Astronomen entdeckten, dass sich das Universum nicht nur ausdehnte, sondern dass dies auch mit zunehmender Geschwindigkeit geschah.
„Vor fast einem Jahrhundert entdeckten Astronomen, dass sich unser Universum ausdehnte“, sagte Niayesh Afsharid, Professor für Astrophysik an der University of Waterloo und Forscher am Perimeter Institute, in der Pressemitteilung. „Je weiter Galaxien entfernt sind, desto schneller bewegen sie sich, bis zu dem Punkt, an dem sie sich fast mit Lichtgeschwindigkeit zu bewegen scheinen, dem Maximum, das Einsteins Theorie zulässt. Unsere Ergebnisse deuten darauf hin, dass Einsteins Theorie in denselben Maßstäben möglicherweise auch so ist.“ unzureichend.”
Der Vorschlag des Teams der University of Waterloo zu einem „kosmischen Problem“ verändert die Schwerkraft in großen Entfernungen und erweitert Einsteins mathematische Formeln, um dieses Problem zu lösen, ohne die Theorie „umzukehren“.
„Betrachten Sie es als eine Fußnote zu Einsteins Theorie“, sagte Wen. „Sobald Sie eine kosmische Skala erreicht haben, gelten die Allgemeinen Geschäftsbedingungen.“
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Die Forscher, die hinter dieser Theorie des kosmischen Problems stehen, gehen davon aus, dass künftige Beobachtungen der großräumigen Struktur des Universums und eines universellen „fossilen“ Strahlungsfelds namens „Kosmischer Mikrowellenhintergrund“ (CMB) seinen Ursprung in einem Ereignis haben könnten, das sich kurz nach dem Urknall ereignete beleuchten die Frage, ob ein kosmisches Problem der Schwerkraft für die aktuellen „kosmischen Spannungen“ verantwortlich ist.
Dazu könnte gehören, warum die Quantentheorie einen Wert für Lambda angibt, der um einen erstaunlichen Faktor von 10¹²¹ (10 gefolgt von 120 Nullen) höher ist als das, was astronomische Beobachtungen zu zeigen scheinen (kein Wunder, dass einige Physiker ihn als „die schlechteste theoretische Vorhersage der Geschichte der Menschheit“ bezeichnen). ). Physik!”).
„Dieses neue Modell könnte durchaus der erste Hinweis auf ein kosmisches Rätsel sein, das wir über Raum und Zeit hinweg zu lösen beginnen“, schloss Afshordi.
Die Forschung des Teams erscheint im Journal of Cosmology and Astroparticle Physics.