De enorme voorspellende kracht van de zwaartekracht- en algemene relativiteitstheorie van Albert Einstein uit 1915 valt niet te ontkennen, maar de theorie lijdt nog steeds onder inconsistenties als het gaat om het berekenen van het effect ervan over grote afstanden. Nieuw onderzoek suggereert dat deze discrepanties het resultaat kunnen zijn van een ‘kosmische onbalans’ in de zwaartekracht zelf.
In de 109 jaar sinds de algemene relativiteitstheorie voor het eerst werd geformuleerd, is zij nog steeds de beste beschrijving van de zwaartekracht op galactische schaal; Experimenten hebben herhaaldelijk de nauwkeurigheid ervan bevestigd. Deze theorie is ook gebruikt om aspecten van het universum te voorspellen die later door observatie zouden worden bevestigd. Deze omvatten de oerknal, het bestaan van zwarte gaten, zwaartekrachtlenzen van licht en kleine rimpelingen in de ruimtetijd die zwaartekrachtgolven worden genoemd.
Maar net als de theorie van de Newtoniaanse zwaartekracht die deze overtrof, geeft de algemene relativiteitstheorie ons mogelijk niet het volledige beeld van deze mysterieuze kracht.
“Dit zwaartekrachtmodel is essentieel geweest voor alles, van de oerknaltheorie tot het in beeld brengen van zwarte gaten”, zegt Robin Wen van de afdeling Mathematical Physics van de Universiteit van Waterloo in een verklaring. ‘Maar wanneer we de zwaartekracht op kosmisch niveau proberen te begrijpen, op het niveau van clusters van sterrenstelsels en daarbuiten, stuiten we op duidelijke tegenstrijdigheden met de voorspellingen van de algemene relativiteitstheorie.’
Verwant: Kwantumzwaartekracht zou kunnen helpen om de kwantummechanica eindelijk te verenigen met de algemene relativiteitstheorie
“De zwaartekracht wordt met ongeveer één procent zwakker als we te maken hebben met afstanden van miljarden lichtjaren”, zei Wen. “We noemen deze discrepantie een ‘kosmische storing’. Het is alsof de zwaartekracht zelf helemaal niet meer overeenkomt met de theorie van Einstein.”
De door het team beschreven kosmische verstoring zou een verandering vereisen in een waarde die de zwaartekrachtconstante wordt genoemd. Deze verandering zal plaatsvinden naarmate berekeningen de ‘hyperhorizon’ naderen, oftewel de verste afstand die het licht heeft kunnen afleggen sinds het ontstaan van het universum.
Het team zegt dat deze wijziging kan worden aangebracht door één uitbreiding toe te voegen aan het standaard kosmologische model. Dit model staat bekend als het lambda-model van koude donkere materie. Eenmaal voltooid zou de wijziging discrepanties in metingen op kosmologische niveaus moeten elimineren zonder de huidige succesvolle toepassingen van de algemene relativiteitstheorie te beïnvloeden.
Wat is de algemene relativiteitstheorie en kan deze verkeerd zijn?
De ontdekking van de algemene relativiteitstheorie was zo revolutionair, omdat hij in plaats van de zwaartekracht als een mysterieuze kracht te beschrijven, postuleerde dat de zwaartekracht voortkomt uit de kromming van het weefsel van ruimte en tijd, verenigd als één enkele entiteit die ‘ruimte-tijd’ wordt genoemd. Einstein realiseerde zich dat deze kromming wordt gevormd door objecten met massa.
Stel je voor dat je ballen met een toenemende massa op een uitgerekte rubberen plaat plaatst. Een tennisbal zou een kleine, bijna onmerkbare deuk maken; Een cricketbal zou een meer opvallende deuk veroorzaken; De bowlingbal zou een enorme curve veroorzaken die waarschijnlijk al het andere op het laken naar zich toe zou trekken. Het is hetzelfde concept met objecten in de ruimte, hoewel de kromming van de ruimtetijd in vier dimensies bestaat, dus er zijn enkele belangrijke verschillen. Manen hebben echter minder massa dan planeten, planeten hebben minder massa dan sterren en sterren hebben minder massa dan sterrenstelsels, dus de zwaartekrachteffecten van deze hemellichamen nemen respectievelijk toe.
Einsteins zwaartekrachttheorie diende als opvolger van die van Newton, hoewel laatstgenoemde nog steeds goed functioneert op aardse schaal en nauwkeurig genoeg is om raketten naar de maan te brengen. De theorie van Einstein zou echter dingen kunnen verklaren die de theorie van Newton niet kon verklaren, zoals de vreemde baan van Mercurius rond de zon.
Het was niet bepaald Newton fout Wat betreft de zwaartekracht had hij geen gelijk wat betreft de schaal van planeten, sterren en sterrenstelsels.
Maar is de algemene relativiteitstheorie verkeerd?
Nou ja, misschien niet. Als theorie was het zeer nauwkeurig in het voorspellen van aspecten van het universum waar we niets vanaf wisten. Zo werd in april 2019 de eerste afbeelding van een zwart gat, gemaakt met de Event Horizon Telescope, aan het publiek onthuld. Deze afbeelding was enigszins schokkend omdat het uiterlijk van het superzware zwarte gat M87* leek op de voorspellingen van de algemene relativiteitstheorie.
Wetenschappers realiseren zich echter dat er enkele problemen zijn met de algemene relativiteitstheorie die uiteindelijk wellicht moeten worden herzien. De theorie is bijvoorbeeld niet te combineren met de kwantummechanica; Onze beste beschrijving van de natuurkunde is op fundamentele niveaus kleiner dan het atoom. Dit komt vooral omdat er momenteel geen kwantumtheorie bestaat om de zwaartekracht te beschrijven.
Dus aanpassingen aan de algemene relativiteitstheorie op een gegeven moment om de reikwijdte ervan te ‘uitbreiden’ naar de kleinste schalen van het universum – en volgens dit team de grootste schalen – lijken onvermijdelijk.
Decennia lang hebben onderzoekers geprobeerd een wiskundig model te creëren dat de algemene relativiteitstheorie zou helpen haar tegenstrijdigheden te overwinnen, en toegepaste wiskundigen en astrofysici van de Universiteit van Waterloo zijn nauw bij dit streven betrokken geweest.
Algemene relativiteitstheorie veranderen? Wat!
Als het idee om de algemene relativiteitstheorie te herzien als ketterij klinkt, bedenk dan dat dit niet de eerste keer zou zijn dat de theorieën die ermee samenhangen, moeten worden gewijzigd.
Kort nadat Einstein de theorie voor het eerst presenteerde, breidden hij en anderen deze uit om een vergelijking te ontwikkelen om de toestand van het universum te beschrijven. Als gevolg van de algemene relativiteitstheorie voorspelde deze vergelijking dat het universum zou veranderen. Het probleem hiermee was de wetenschappelijke consensus destijds dat het universum statisch was. Hoewel Einstein geen onbekende was in het transformeren van de status quo in een staat van voortdurende verandering, was hij het toevallig eens met dit onveranderlijke kosmische beeld.
Om de voorspelling van een statisch universum in de algemene relativiteitstheorie te garanderen, voegde Einstein een ‘correctiefactor’ toe die hij later omschreef als ‘zijn grootste blunder’: dit staat bekend als de kosmologische constante, weergegeven door de Griekse letter lambda. De constante zou uit het denken worden verwijderd toen Edwin Hubble Einstein ervan overtuigde dat het universum niet statisch was. Hij zei dat het zich uitbreidt. Voor zover we vandaag de dag weten, had Hubble eigenlijk gelijk.
De lambda komt echter daadwerkelijk terug. Het zal aan het einde van de 20e eeuw een andere functie gaan vervullen, wanneer astronomen ontdekken dat het universum niet alleen uitdijt, maar dat dit ook in een steeds sneller tempo gebeurt.
“Bijna een eeuw geleden ontdekten astronomen dat ons universum uitdijde”, zegt Niayesh Afsharid, hoogleraar astrofysica aan de Universiteit van Waterloo en onderzoeker aan het Ocean Institute, in de verklaring. “Hoe verder weg sterrenstelsels zijn, hoe sneller ze bewegen, tot het punt waarop ze lijken te bewegen met bijna de snelheid van het licht, het maximum dat door Einsteins theorie wordt toegestaan. Onze bevindingen suggereren dat Einsteins theorie dat op dezelfde schaal ook zou kunnen doen niet genoeg zijn.”
Het voorstel van het team van de Universiteit van Waterloo van een ‘kosmische glitch’ die de zwaartekracht over grote afstanden moduleert, breidt de wiskundige formules van Einstein uit om dit aan te pakken zonder de theorie ‘omver te werpen’.
“Zie het als een voetnoot bij de theorie van Einstein,” zei Wen. “Zodra je het Kosmische Rijk bereikt, zijn de algemene voorwaarden van toepassing.”
De onderzoekers achter deze kosmische glitch-theorie suggereren dat toekomstige observaties van de grootschalige structuur van het universum en een veld van mondiale ‘fossiele’ straling, de kosmische microgolfachtergrond (CMB) genaamd, van een gebeurtenis die kort na de oerknal plaatsvond, licht zouden kunnen werpen. over de vraag of kosmische storingen in Gravity verantwoordelijk zijn voor de huidige ‘kosmische spanningen’.
Dit zou kunnen omvatten waarom de kwantumtheorie de waarde van lambda geeft, wat een verbazingwekkende factor is van 10¹²¹ (10 gevolgd door 120 nullen), wat groter is dan astronomische waarnemingen laten zien (geen wonder dat sommige natuurkundigen dit “de slechtste theoretische voorspelling in de geschiedenis van het universum” noemen). ”). Natuurkunde!”).
“Dit nieuwe model zou wel eens het eerste bewijsstuk kunnen zijn in de kosmische puzzel die we in ruimte en tijd beginnen te ontrafelen”, concludeert Afshordi.
Het onderzoek van het team verschijnt in Journal of Cosmology en Astrodeeltjesfysica.
“Reisliefhebber. Onruststoker. Popcultuurfanaat. Kan niet typen met bokshandschoenen aan.”