Znanstvenici pronašli nešto čudno prilikom testiranja Einsteinove teorije relativnosti

Sve u svemiru ima gravitaciju i isto tako osjeća gravitaciju. Ta, najčešća od svih fundamentalnih sila, istovremeno fizičarima predstavlja i najveći izazov. Teorija opće relativnosti Alberta Einsteina bila je dosad iznimno uspješna u opisivanju gravitacije zvijezda i planeta, no čini se da se ne može savršeno primijeniti na svim razinama.

Opća teorija relativnosti prošla je mnoštvo promatračkih testova, od Eddingtonovog mjerenja otklona svjetlosti zvijezda od Sunca 1919. do nedavnog otkrića gravitacijskih valova. Međutim, praznine u našem razumijevanju počinju se pojavljivati kada je pokušamo primijeniti na izuzetno male udaljenosti, na kojima djeluju zakoni kvantne mehanike, ili kada pomoću nje pokušamo opisati cijeli svemir.

Nova studija profesora kozmologije Kazuye Koyame s britanskog Sveučilišta Portsmouth i profesora fizike Levona Pogosiana s kanadskog Sveučilišta Simon Fraiser, objavljena u časopisu Nature Astronomy, testirala Einsteinovu teoriju upravo na najvećim razmjerima, javlja Zimo.

Koyama i Pogosian vjeruju da bi njihov pristup jednog dana mogao pomoći u rješavanju nekih od najvećih misterija u kozmologiji, a rezultati njihove studije upućuju na to da bi teoriju opće relativnosti možda trebalo prilagoditi u ovoj mjeri.

Otvorena pitanja

Kvantna teorija predviđa da je prazan prostor, vakuum, prepun energije. Ne primjećujemo tu prisutnost jer naši uređaji mogu mjeriti samo promjene energije, a ne njezinu ukupnu količinu, pišu Koyama i Pogosian u osvrtu na studiju za The Conversation.

Prema Einsteinu, energija vakuuma ima odbojnu gravitaciju, odnosno ona gura prazan prostor. Zanimljivo je da je 1998. otkriveno da se širenje Svemira zapravo ubrzava, što je otkriće nagrađen0 Nobelovom nagradom za fiziku 2011. godine.

Međutim, količina energije vakuuma, ili tamne energije kako je nazivaju, potrebna za objašnjenje ubrzanja više je redova veličine manja od one koju predviđa kvantna teorija, ističu Koyama i Pogosian.

Autori studije stoga upućuju na pitanja gravitira li energija vakuuma zapravo, djelujući gravitacijskom silom i mijenjajući širenje svemira? Ako da, zašto je onda njegova gravitacija toliko slabija od predviđene? Ako vakuum uopće ne gravitira, što uzrokuje kozmičko ubrzanje?

Standardna kozmološka teorija

Ne znamo što je tamna energija, ali moramo pretpostaviti da postoji kako bismo objasnili širenje svemira. Slično tome, također moramo pretpostaviti da postoji vrsta prisutnosti nevidljive materije, nazvana tamna tvar, da objasnimo kako su galaksije i skupine galaksija evoluirali da budu onakvi kakvima ih danas promatramo, kažu Koyama i Pogosian.

Te su pretpostavke ugrađene u standardnu kozmološku teoriju znanstvenika, nazvanu model lambda hladne tamne tvari (LCDM) – što sugerira da u kozmosu postoji 70 posto tamne energije, 25 posto tamne tvari i 5 posto obične materije. I ovaj je model bio izuzetno uspješan u uklapanju svih podataka koje su prikupili kozmolozi u proteklih 20 godina, ističu autori studije.

No, činjenica da se većina Svemira sastoji od mračnih sila i supstanci, uzimajući čudne vrijednosti koje nemaju smisla, napominju Koyama i Pogosian, potaknula je mnoge fizičare da se zapitaju treba li Einsteinovoj teoriji gravitacije modifikacija kako bi se opisao cijeli svemir.

Novi obrat - problem Hubbleove napetosti

Novi obrat pojavio se prije nekoliko godina kada je postalo očito da različiti načini mjerenja brzine kozmičkog širenja, nazvani Hubbleova konstanta, daju različite odgovore, problem poznat kao Hubbleova napetost. Neslaganje ili napetost je između dvije vrijednosti Hubbleove konstante. Jedan je broj predviđen LCDM kozmološkim modelom, koji je razvijen kako bi odgovarao svjetlu preostalom od Velikog praska (kozmičko mikrovalno pozadinsko zračenje). Drugi je brzina širenja mjerena promatranjem eksplozivnih zvijezda poznatih kao supernove u dalekim galaksijama, pojašnjavaju autori studije.

Predložene su mnoge teorijske ideje za načine modificiranja LCDM-a za objašnjenje Hubbleove napetosti, a među njima su i alternativne teorije gravitacije.

Provjera točnosti na najvećim razmjerima

Moguće je osmisliti testove kako bi znanstvenici provjerili poštuje li svemir pravila Einsteinove teorije.

Opća relativnost opisuje gravitaciju kao zakrivljenje ili krivljenje prostora i vremena, savijajući putove duž kojih putuju svjetlost i materija. Ono što je važno, Einsteinova teorija predviđa da bi putanje svjetlosnih zraka i materije trebale biti savijene gravitacijom na isti način.

Zajedno s timom kozmologa, testirali smo osnovne zakone opće relativnosti. Također smo istražili može li modificiranje Einsteinove teorije pomoći u rješavanju nekih otvorenih problema kozmologije, poput Hubbleove napetosti. Kako bismo doznali je li opća relativnost točna na velikim razmjerima, krenuli smo, po prvi put, u istovremeno istraživanje tri njezina aspekta. To su bili širenje svemira, učinci gravitacije na svjetlost i učinci gravitacije na materiju, pišu Koyama i Pogosian.

Koristili su statističku metodu poznatu kao Bayesov zaključak i rekonstruirali gravitaciju Svemira kroz kozmičku povijest u računalnom modelu temeljenom na navedena tri parametra. Parametre su procijenili korištenjem kozmičkih mikrovalnih pozadinskih podataka sa satelita Planck, kataloga supernova kao i promatranja oblika i distribucije dalekih galaksija putem SDSS i DES teleskopa.

Teoriju opće relativnosti treba doraditi?

Zatim smo našu rekonstrukciju usporedili s predviđanjem LCDM modela (u biti Einsteinov model). Pronašli smo zanimljive naznake mogućeg neslaganja s Einsteinovim predviđanjem, iako s prilično niskim statističkim značajem. To znači da unatoč tome postoji mogućnost da gravitacija djeluje drugačije na velikim razmjerima i da će teoriju opće relativnosti možda trebati doraditi, pojašnjavaju Koyama i Pogosian.

Njihova je studija također otkrila da je vrlo teško riješiti Hubbleov problem napetosti samo promjenom teorije gravitacije.

Potpuno rješenje vjerojatno bi zahtijevalo novi sastojak u kozmološkom modelu, prisutan prije vremena kada su se protoni i elektroni prvi put spojili u vodik neposredno nakon Velikog praska, kao što je poseban oblik tamne tvari, rana vrsta tamne energije ili primordijalna magnetska polja. Ili, možda, postoji još nepoznata sustavna pogreška u podacima, zaključuju autori studije.

Pogled u budućnost

Obzirom na sve to, njihova studija je pokazala da je moguće testirati valjanost opće relativnosti na kozmološkim udaljenostima pomoću podataka promatranja. Iako još nisu riješili problem Hubbleove napetosti, tvrde da će za nekoliko godina imati puno više podataka iz novih svemirskih sondi.

To znači da ćemo moći koristiti ove statističke metode za nastavak prilagođavanja opće relativnosti, istraživanje granica modifikacija, kako bismo otvorili put rješavanju nekih otvorenih izazova u kozmologiji, kažu na kraju Koyama i Pogosian.