Zwaartekrachtgolven en de geometrie van ruimte-tijd

Als het over ons universum gaat, wordt vaak gezegd dat “materie de ruimte-tijd vertelt hoe ze moet buigen, en de gebogen ruimte-tijd vertelt de materie hoe ze moet bewegen.” Dit is de essentie van de beroemde algemene relativiteitstheorie van Albert Einstein en beschrijft hoe planeten, sterren en sterrenstelsels bewegen en de ruimte om hen heen beïnvloeden. Hoewel de algemene relativiteitstheorie veel van de grote dingen in ons universum weergeeft, is zij in strijd met de kleine dingen in de natuurkunde, zoals beschreven door de kwantummechanica.

voor hem Ph.D. onderzoekSewers Heifer ontdekte de zwaartekracht in ons universum, en zijn onderzoek heeft implicaties voor het opwindende veld van zwaartekrachtgolven, en kan van invloed zijn op hoe grote en kleine natuurkunde in de toekomst met elkaar worden verzoend.

Iets meer dan honderd jaar geleden bracht Albert Einstein een revolutie teweeg in ons begrip van de zwaartekracht met zijn algemene relativiteitstheorie.

“Volgens de theorie van Einstein is zwaartekracht geen kracht, maar ontstaat ze als gevolg van de geometrie van het vierdimensionale ruimte-tijd-continuüm, of kortweg ruimte-tijd”, zegt Heffer. “Het is essentieel voor het ontstaan ​​van prachtige verschijnselen in ons universum, zoals zwaartekrachtsgolven.”

Enorme objecten, zoals de zon of sterrenstelsels, vervormen de ruimtetijd om hen heen, en vervolgens bewegen andere objecten zich langs de rechtst mogelijke paden – bekend als geodeten – door deze gebogen ruimtetijd.

Vanwege de kromming zijn deze geodeten echter helemaal niet recht in de gebruikelijke zin. In het geval van de planeten in het zonnestelsel beschrijven ze bijvoorbeeld elliptische banen rond de zon. Op deze manier verklaart de algemene relativiteitstheorie op elegante wijze de beweging van planeten en vele andere zwaartekrachtverschijnselen, van alledaagse situaties tot zwarte gaten en de oerknal. Als zodanig blijft het een hoeksteen van de moderne natuurkunde.

Botsing van theorieën

Hoewel de algemene relativiteitstheorie een reeks astrofysische verschijnselen beschrijft, is zij in strijd met een andere fundamentele theorie in de natuurkunde: de kwantummechanica.

“De kwantummechanica suggereert dat deeltjes (zoals elektronen of muonen) tegelijkertijd in meerdere toestanden bestaan ​​om gemeten of waargenomen te kunnen worden”, zegt Heffer. “Eenmaal gemeten, kiezen ze willekeurig een toestand vanwege een mysterieus effect dat ‘golffunctie-instorting’ wordt genoemd.

In de kwantummechanica is een golffunctie een wiskundige uitdrukking die de positie en toestand van een deeltje, zoals een elektron, beschrijft. Het kwadraat van de golffunctie geeft aanleiding tot een reeks waarschijnlijkheden over waar het deeltje zich bevindt. Hoe groter het kwadraat van de golffunctie op een bepaalde locatie, hoe waarschijnlijker het is dat het deeltje zich op die locatie zal bevinden zodra het wordt waargenomen.

‘Alle materie in ons universum lijkt te gehoorzamen aan de vreemde probabilistische wetten van de kwantummechanica’, zegt Heffer. “Hetzelfde geldt voor alle natuurkrachten, behalve de zwaartekracht. Deze tegenstrijdigheid geeft aanleiding tot diepgaande filosofische en wiskundige paradoxen, en het oplossen van deze paradoxen is een van de fundamentele uitdagingen in de fundamentele natuurkunde van vandaag.”

Is uitbreiding de oplossing?

Eén benadering om het conflict tussen de algemene relativiteitstheorie en de kwantummechanica op te lossen is om het wiskundige raamwerk buiten de algemene relativiteitstheorie uit te breiden.

In termen van wiskunde is de algemene relativiteitstheorie gebaseerd op pseudo-Riemanniaanse meetkunde, een wiskundige taal die in staat is de meeste typische vormen te beschrijven die ruimtetijd kan aannemen.

“Recente ontdekkingen suggereren dat de ruimtetijd in ons universum mogelijk buiten het bereik van de pseudo-Riemanniaanse meetkunde valt en alleen kan worden beschreven door de Fensler-meetkunde, een meer geavanceerde wiskundige taal”, zegt Heifer.

Veldvergelijkingen

Om de mogelijkheden van de Fensler-zwaartekracht te onderzoeken, moest Heffer een specifieke veldvergelijking analyseren en oplossen.

Natuurkundigen beschrijven alles in de natuur graag in termen van velden. In de natuurkunde is een veld eenvoudigweg iets dat waarde heeft op elk punt in ruimte en tijd.

Een eenvoudig voorbeeld hiervan is bijvoorbeeld de temperatuur; Op elk gegeven moment heeft elk punt in de ruimte een specifieke temperatuur.

Een iets complexer voorbeeld is dat van een elektromagnetisch veld. Op elk gegeven moment vertelt de waarde van het elektromagnetische veld op een bepaald punt in de ruimte ons de richting en grootte van de elektromagnetische kracht die een geladen deeltje, zoals een elektron, zou ervaren als het zich op dat punt zou bevinden.

Als het gaat om de geometrie van de ruimte-tijd zelf, wordt deze ook beschreven door een veld, namelijk het zwaartekrachtveld. De waarde van dit veld op een bepaald punt in de ruimtetijd vertelt ons de kromming van de ruimtetijd op dat punt, en het is deze kromming die zich manifesteert in de zwaartekracht.

Heffer wendde zich tot de vacuümveldvergelijking ontwikkeld door Christian Pfeiffer en Matthias NR Wohlfahrt, die dit zwaartekrachtveld in de lege ruimte regelt. Met andere woorden: deze vergelijking beschrijft de mogelijke vormen die de geometrie van de ruimtetijd zou kunnen aannemen bij afwezigheid van materie.

‘In een goede benadering omvat dit de hele interstellaire ruimte tussen sterren en sterrenstelsels, evenals de lege ruimte rondom objecten zoals de zon en de aarde’, legt Heffer uit. ‘Door de veldvergelijking zorgvuldig te analyseren, kunnen verschillende nieuwe typen ruimte ontstaan. tijdgeometrie zijn geïdentificeerd.”

Bevestiging van zwaartekrachtgolven

Een bijzonder opwindende ontdekking uit het werk van Heffer betreft een klasse ruimte-tijdgeometrie die zwaartekrachtgolven vertegenwoordigt. Dit zijn rimpelingen in het weefsel van de ruimte-tijd die zich voortplanten met de snelheid van het licht en kunnen worden veroorzaakt door botsingen van neutronensterren of zwarte gaten. Bijvoorbeeld.

De eerste directe detectie van zwaartekrachtgolven op 14 september 2015 markeerde het begin van een nieuw tijdperk in de astronomie, waardoor wetenschappers het universum op een geheel nieuwe manier konden verkennen.

Sindsdien zijn er veel waarnemingen van zwaartekrachtgolven gedaan. Heffers onderzoek suggereert dat deze allemaal consistent zijn met de hypothese dat onze ruimte-tijd een Vensleriaans karakter heeft.

Kras op het oppervlak

Hoewel de resultaten van Heffer veelbelovend zijn, schetsen ze slechts het oppervlak van de implicaties van de zwaartekrachtveldvergelijking van Fensler.

“Dit is nog een jong vakgebied en er wordt meer onderzoek in deze richting gedaan”, zegt Heifer. “Ik ben optimistisch dat onze resultaten effectief zullen blijken in het verdiepen van ons begrip van de zwaartekracht, en ik hoop dat ze uiteindelijk licht zullen werpen op de verzoening van zwaartekracht en kwantummechanica.”