Wissenschaftler testeten Einsteins Relativitätstheorie auf kosmologischer Ebene und fanden etwas Seltsames: ScienceAlert

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Alles im Universum hat Schwerkraft – und spürt sie auch. Es sind jedoch diese am häufigsten vorkommenden fundamentalen Kräfte, die die Physiker vor die größte Herausforderung stellen.

Allgemeine Relativitätstheorie von Albert Einstein Es war sehr erfolgreich bei der Beschreibung der Anziehungskraft von Sternen und Planeten, aber es schien nicht in allen Maßstäben ganz korrekt zu sein.

Generelle Relativität Bestehen jahrelange Beobachtungstests, von Eddingtons Messungen Von der Beugung des Sternenlichts an der Sonne im Jahr 1919 bis Moderne Detektion von Gravitationswellen.

Lücken in unserem Verständnis treten jedoch auf, wenn wir versuchen, sie auf sehr kleine Entfernungen anzuwenden, und wo Die Gesetze der Quantenmechanik funktionierenoder wenn wir versuchen, das ganze Universum zu beschreiben.

Unsere neue Studie, Veröffentlicht in natürliche AstronomieEr hat nun Einsteins Theorie im größten Maßstab getestet.

Wir glauben, dass unser Ansatz eines Tages dazu beitragen kann, einige der größten Rätsel der Kosmologie zu lösen, und die Ergebnisse legen nahe, dass die Allgemeine Relativitätstheorie in diesem Maßstab möglicherweise modifiziert werden muss.

defektes Modell?

Die Quantentheorie sagt voraus, dass der Raum leer, leer und voller Energie ist. Wir waren uns seiner Anwesenheit nicht bewusst, da unser Gerät nur die Energieänderung und nicht die Gesamtmenge messen kann.

Laut Einstein hat die Energie des leeren Raums jedoch eine Abstoßung – sie drückt den leeren Raum auseinander. Interessanterweise wurde 1998 entdeckt, dass sich die Expansion des Universums tatsächlich beschleunigt (eine Entdeckung von 2011 Nobelpreis für Physik).

Allerdings ist die Menge an Vakuumenergie, bzw dunkle Energie Wie bereits erwähnt, ist darauf hinzuweisen, dass die Beschleunigung viel kleiner ist als von der Quantentheorie vorhergesagt.

Daher ist die große Frage, die als „Problem der alten kosmologischen Konstante“ bezeichnet wird, ob Vakuumenergie wirklich angezogen wird – wodurch die Gravitationskraft erzeugt und die Expansion des Universums verändert wird.

Wenn ja, warum ist die Anziehungskraft so viel schwächer als erwartet? Wenn das Vakuum überhaupt nicht angezogen wird, was verursacht dann die kosmische Beschleunigung?

Wir wissen nicht, was dunkle Energie ist, aber wir müssen ihre Existenz postulieren, um die Expansion des Universums zu erklären.

Ebenso müssen wir auch davon ausgehen, dass es eine Art Existenz namens unsichtbare Materie gibt Dunkle MaterieZu erklären, wie sich Galaxien und Haufen zu dem entwickelten, was wir heute sehen.

Diese Annahme wurde in die kosmologische Standardtheorie der Wissenschaftler aufgenommen, das so genannte Cold Dark Matter Lambda Model (LCDM), das zeigt, dass es im Universum 70 Prozent dunkle Energie, 25 Prozent dunkle Materie und 5 Prozent gewöhnliche Materie gibt. Dieses Modell war sehr erfolgreich darin, alle Daten anzupassen, die Kosmologen in den letzten 20 Jahren gesammelt haben.

Aber die Tatsache, dass der größte Teil des Universums aus Kraft und dunkler Materie besteht, die seltsame und bedeutungslose Werte hat, hat viele Physiker sich fragen lassen, ob Einsteins Gravitationstheorie modifiziert werden muss, um das gesamte Universum zu beschreiben.

Eine neue Entwicklung tauchte vor einigen Jahren auf, als klar wurde, dass eine andere Methode zur Messung der Geschwindigkeit der kosmischen Expansion, genannt Hubble-Konstanteeine andere Antwort geben – das Problem bekannt als Hubble-Spannung.

Die Meinungsverschiedenheit oder Spannung zwischen den beiden Werten der Hubble-Konstante.

Die erste ist die Zahl, die vom kosmologischen LCDM-Modell vorhergesagt wurde, das passend entwickelt wurde Das Licht, das der Urknall hinterlassen hat (Es kosmischer mikrowellenhintergrund Strahlung).

Die andere ist die Expansionsrate, die durch die Beobachtung von Supernovae in fernen Galaxien gemessen wird.

Mehrere theoretische Ideen für LCDM-Modulationsverfahren wurden vorgeschlagen, um die Hubble-Spannung zu erklären. Darunter ist eine alternative Gravitationstheorie.

Auf der Suche nach Antworten

Wir können Tests entwickeln, um zu überprüfen, ob das Universum den Regeln von Einsteins Theorie gehorcht.

Die Allgemeine Relativitätstheorie beschreibt die Schwerkraft als die Krümmung oder Ablenkung von Raum und Zeit, die die Bahnen von Licht und Materie krümmt. Wichtig ist, dass er voraussagt, dass die Pfade von Licht und Materiestrahlen auf die gleiche Weise durch die Schwerkraft gebogen werden sollten.

Zusammen mit einem Team von Kosmologen haben wir die Grundgesetze der Allgemeinen Relativitätstheorie getestet. Wir untersuchen auch, ob eine Modifikation von Einsteins Theorie helfen kann, einige offene Probleme in der Kosmologie zu lösen, wie zum Beispiel die Hubble-Spannung.

Um herauszufinden, ob die Allgemeine Relativitätstheorie im großen Maßstab wahr ist, haben wir uns zum ersten Mal vorgenommen, drei Aspekte gleichzeitig zu untersuchen. Dies sind die Ausdehnung des Universums, die Wirkung der Schwerkraft auf Licht und die Wirkung der Schwerkraft auf Materie.

Mit einer statistischen Methode namens Bayes’sche Inferenz rekonstruierten wir die Schwerkraft des Universums durch seine kosmische Geschichte in einem Computermodell, das auf diesen drei Parametern basiert.

Wir können die Parameter anhand kosmischer Mikrowellen-Hintergrunddaten des Planck-Satelliten, des Supernova-Katalogs und Beobachtungen der Form und Verteilung entfernter Galaxien mit abschätzen SDSS Und untergeordnet Teleskop.

Dann verglichen wir unsere Rekonstruktion mit Vorhersagen mit dem LCDM-Modell (im Wesentlichen Einsteins Modell).

Wir fanden interessante Hinweise auf eine mögliche Diskrepanz mit Einsteins Vorhersagen, wenn auch von eher geringer statistischer Signifikanz.

Dies bedeutet, dass es immer noch möglich ist, dass sich die Schwerkraft in großen Maßstäben anders verhält und die allgemeine Relativitätstheorie möglicherweise modifiziert werden muss.

Unsere Studie ergab auch, dass es sehr schwierig ist, das Hubble-Stressproblem einfach durch eine Änderung der Gravitationstheorie zu lösen.

Vielleicht würde eine vollständige Lösung neue Komponenten des kosmologischen Modells erfordern, das existierte, bevor sich Protonen und Elektronen zum ersten Mal zu Wasserstoff vereinigten. große Explosionwie eine spezielle Form dunkler Materie, eine frühe Art dunkler Energie oder ein ursprüngliches Magnetfeld.

Oder es gibt einen unbekannten systematischen Fehler in den Daten.

Unsere Studie zeigt jedoch, dass es möglich ist, die Gültigkeit der Allgemeinen Relativitätstheorie in kosmischen Entfernungen anhand von Beobachtungsdaten zu testen. Obwohl wir das Hubble-Problem noch nicht gelöst haben, werden wir in ein paar Jahren viele Daten von der neuen Sonde haben.

Das bedeutet, dass wir diese statistischen Methoden verwenden können, um die allgemeine Relativitätstheorie weiter zu modifizieren und die Grenzen der Modifikation zu erforschen, um den Weg für die Lösung einiger offener Herausforderungen in der Kosmologie zu ebnen.

Kazuya KoyamaProfessor für Kosmologie, Universität Portsmouth Und Levon BogosianPhysikprofessor, Simon Fraser Universitas University

Dieser Artikel wurde neu veröffentlicht von Gespräch Unter Creative-Commons-Lizenz. Lesen originaler Artikel.

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