Dit artikel is oorspronkelijk gepubliceerd op Gesprek. Het bericht is bijgedragen door Space.com Expertstemmen: redactioneel commentaar en inzichten.
Valerio Faraone Hij is hoogleraar natuurkunde en astronomie aan de Bishop’s University. Andrea Giusti Hij is postdoctoraal onderzoeker aan het Zwitserse Federale Instituut voor Technologie in Zürich.
Einsteins zwaartekrachttheorie – de algemene relativiteitstheorie – is al meer dan een eeuw een groot succes. Het heeft echter theoretische nadelen. Dit is niet verrassend: de theorie voorspelt dat deze theorie zal falen in ruimte-tijd-singulariteiten in zwarte gaten, en in de oerknal zelf.
In tegenstelling tot natuurkundige theorieën die de andere drie fundamentele krachten in de natuurkunde beschrijven – elektromagnetische krachten en sterke en zwakke nucleaire interacties – is de algemene relativiteitstheorie alleen getest bij zwakke zwaartekracht.
Afwijkingen van de zwaartekracht van de algemene relativiteitstheorie worden zeker niet overal in het universum uitgesloten of ervaren. Volgens theoretische natuurkundigen is er onvermijdelijk sprake van afbuiging.
Verwant: Had Einstein ongelijk? De zaak tegen de ruimte-tijdtheorie
Afwijkingen en kwantummechanica
Volgens Einstein is ons heelal ontstaan als gevolg van de oerknal. Andere singulariteiten verbergen zich in zwarte gaten: ruimte en tijd hebben daar geen betekenis, terwijl grootheden als energiedichtheid en druk oneindig worden. Deze geven aan dat de theorie van Einstein op dit punt faalt en vervangen moet worden door een meer fundamentele theorie.
Het is naïef om ruimte-tijd-singulariteiten op te lossen met behulp van de kwantummechanica, wat van toepassing is op zeer kleine schaalniveaus.
De kwantumfysica is gebaseerd op twee eenvoudige ideeën: Puntdeeltjes onlogisch; en het onzekerheidsprincipe van Heisenberg, dat stelt dat de waarde van bepaalde paren grootheden nooit met absolute precisie bekend kan zijn, bijvoorbeeld de positie en snelheid van een deeltje. Dit komt omdat deeltjes niet als punten moeten worden gezien, maar als golven; Op kleine schaal gedragen ze zich als golven van materie.
Dit is voldoende om te begrijpen dat een theorie die de algemene relativiteitstheorie en de kwantumfysica omvat, vrij moet zijn van dergelijke pathologieën. Alle pogingen om de algemene relativiteitstheorie en de kwantumfysica te combineren leiden echter noodzakelijkerwijs tot afwijkingen van Einsteins theorie.
Daarom kan de zwaartekracht van Einstein niet de definitieve zwaartekrachttheorie zijn. In feite duurde het niet lang nadat Einstein in 1915 de algemene relativiteitstheorie introduceerde, Arthur Eddington, die de theorie op beroemde wijze verifieerde tijdens de zonsverduistering van 1919, op zoek ging naar alternatieven, alleen maar om te zien hoe de dingen anders zouden kunnen zijn.
De theorie van Einstein heeft tot nu toe alle tests overleefd en heeft verschillende uitkomsten van de theorie nauwkeurig voorspeld Voorvoegsel van de baan van Mercurius door de aanwezigheid van zwaartekrachtsgolven. Dus waar verbergen deze afwijkingen van de algemene relativiteitstheorie zich?
Kosmologie is belangrijk
Een eeuw onderzoek heeft ons het standaardmodel van de kosmologie opgeleverd dat bekend staat als koude donkere materie Model (ΛCDM).. Hier verwijst Λ naar de beroemde kosmologische constante van Einstein of naar een mysterieuze donkere energie met vergelijkbare eigenschappen.
Donkere energie werd specifiek door astronomen geïntroduceerd om de versnelling van de kosmische uitdijing te verklaren. Hoewel het tot voor kort zeer goed overeenkwam met de kosmologische gegevens, is het ΛCDM-model vanuit theoretisch oogpunt verrassend onvolledig en onbevredigend.
De afgelopen vijf jaar heb ik ook ernstige ervaringen gehad Observationele spanningen. De Hubble-constante, die de leeftijd en afstandsschaal van het universum bepaalt, kan in het vroege universum worden gemeten met behulp van de kosmische microgolfachtergrond en in het late universum met behulp van supernova’s als standaardkaarsen.
Deze twee metingen geven Incompatibele resultaten. Het allerbelangrijkste is dat de aard van de belangrijkste componenten van het ΛCDM-model – donkere energie, donkere materie en de drijvende kracht achter de inflatie in het vroege heelal (een zeer korte periode van extreem snelle expansie die aanleiding gaf tot zaden van sterrenstelsels en clusters van sterrenstelsels) – een onzekere factor blijft. mysterie.
Vanuit observationeel oogpunt is de meest overtuigende oorzaak van gewijzigde zwaartekracht de versnelling van het heelal die in 1998 werd gedetecteerd met… Type Ia-supernova, waarvan de helderheid afneemt als gevolg van deze versnelling. Het ΛCDM-model, gebaseerd op de algemene relativiteitstheorie, veronderstelt het bestaan van een zeer vreemde donkere energie met negatieve druk die het universum doordringt.
Het probleem is dat deze donkere energie geen fysieke rechtvaardiging heeft. De aard ervan is niet volledig bekend, hoewel A Een groot aantal modellen Het werd gesuggereerd. Een voorgesteld alternatief voor donkere energie is de kosmologische constante Λ die, volgens de kwantummechanica, Back-of-the-envelope-berekeningen (maar twijfelachtig).Het zou enorm moeten zijn.
In plaats daarvan moet Λ echter ongelooflijk klein worden aangepast om te passen bij kosmologische waarnemingen. Als er donkere energie bestaat, is onze onwetendheid over de aard ervan zeer verontrustend.
Alternatieven voor de theorie van Einstein
Kunnen de problemen in plaats daarvan voortkomen uit een foutieve poging om kosmologische waarnemingen in de algemene relativiteitstheorie te passen, zoals iemand in een te kleine broek passen? Dat we de eerste afwijkingen van de algemene relativiteitstheorie waarnemen terwijl mysterieuze donkere energie eenvoudigweg niet bestaat?
dit idee, Voor het eerst voorgesteld Dit idee, uitgevoerd door onderzoekers van de Universiteit van Napels, is enorm populair geworden, terwijl het concurrerende donkere-energiekamp sterk blijft.
Hoe kunnen we dat vertellen? Afwijkingen van de zwaartekracht van Einstein zijn dat wel Beperkt door experimenten met zonnestelselsEn recente waarnemingen van zwaartekrachtsgolven en bijna-horizonbeelden van zwarte gaten.
Er is nu een Geweldige literatuur Over alternatieve zwaartekrachttheorieën voor de algemene relativiteitstheorie, die teruggaat tot de vroege onderzoeken van Eddington in 1923. Een veel voorkomende klasse van alternatieven is de zogenaamde tensor scalaire zwaartekracht. Het is conceptueel heel eenvoudig omdat het slechts één extra component (een scalair veld dat overeenkomt met het eenvoudigste niet-spindeeltje) introduceert in Einsteins geometrische beschrijving van de zwaartekracht.
Maar de gevolgen van dit programma zijn helemaal niet triviaal. Een opvallend fenomeen is het ‘kameleoneffect’, dat erin bestaat dat dergelijke theorieën zich kunnen voordoen als algemene relativiteit in omgevingen met hoge dichtheid (zoals in sterren of in het zonnestelsel), terwijl ze daar sterk van afwijken in omgevingen met lage dichtheid. . Kosmologie.
Als gevolg hiervan is het extra (zwaartekracht)veld vrijwel afwezig in het eerste type systeem, dat zich voordoet als een kameleon, en alleen voelbaar is op grotere (kosmische) schaal.
huidige situatie
Tegenwoordig is het scala aan alternatieven voor de zwaartekracht van Einstein dramatisch uitgebreid. Zelfs het toevoegen van een enkele enorme scalaire excitatie (dat wil zeggen een deeltje zonder spin) aan de zwaartekracht van Einstein – en het ‘eenvoudig’ houden van de resulterende vergelijkingen om enkele bekende fatale instabiliteiten te vermijden – gaf aanleiding tot een veel bredere klasse van zwaartekracht. Horndesky’s theorieënen daaropvolgende generalisaties.
Theoretici hebben de afgelopen tien jaar fysieke consequenties uit deze theorieën getrokken. Recente ontdekkingen van zwaartekrachtgolven hebben een manier geboden om dit te doen Beperking van wijzigingen in de fysieke laag De zwaartekracht liet Einstein toe.
Er is echter nog veel werk aan de winkel, met de hoop dat toekomstige ontwikkelingen in de multi-messenger-astronomie zullen leiden tot de ontdekking van wijzigingen in de algemene relativiteitstheorie waar de zwaartekracht erg sterk is.
Dit artikel is opnieuw gepubliceerd van Gesprek Onder Creative Commons-licentie. Lees de Origineel artikel.
“Bierliefhebber. Toegewijde popcultuurgeleerde. Koffieninja. Boze zombiefan. Organisator.”
More Stories
SpaceX lanceert 23 Starlink-satellieten op Falcon 9-vlucht vanuit Cape Canaveral – Spaceflight Now
Falcon 9 lanceert de navigatiesatellieten van Galileo
Een ongekende meteorietontdekking daagt astrofysische modellen uit