نمی توان منکر قدرت پیش بینی فوق العاده نظریه گرانش آلبرت انیشتین در سال 1915، نسبیت عام شد – اما این نظریه هنوز در محاسبه تأثیر آن در فواصل بسیار ناسازگاری دارد. و تحقیقات جدید نشان می دهد که این اختلافات ممکن است نتیجه یک “خطای کیهانی” در خود گرانش باشد.
در 109 سال از اولین فرمولاسیون آن، نسبیت عام بهترین توصیف ما از گرانش در مقیاس کهکشانی است. آزمایش ها بارها و بارها صحت آن را تأیید می کنند. این نظریه همچنین برای پیش‌بینی جنبه‌هایی از جهان که بعداً توسط مشاهدات تأیید می‌شوند، استفاده شد. این شامل مهبانگوجود سیاه چاله هابر عدسی گرانشی نور و امواج کوچک در فضا-زمان به نام امواج گرانشی.
با این حال، مانند نظریه گرانش نیوتن، که از آن پیشی گرفت، نسبیت عام ممکن است تصویر کاملی از این نیروی معمایی به ما ارائه نکند.
رابین ون از اوروگرام ریاضی فیزیک دانشگاه واترلو در بیانیه ای گفت: «این مدل گرانش برای همه چیز از نظریه پردازی بیگ بنگ گرفته تا عکاسی از سیاهچاله ها ضروری است. اما وقتی سعی می کنیم گرانش را در مقیاس کیهانی، در مقیاس خوشه های کهکشانی و فراتر از آن درک کنیم، با پیش بینی های نسبیت عام به تناقض آشکاری برخورد می کنیم.
متصل: “گرانش کوانتومی” ممکن است در نهایت به یکپارچه سازی مکانیک کوانتومی با نسبیت عام کمک کند
ون گفت: “جاذبه در برخورد با فواصل میلیاردها سال نوری حدود یک درصد ضعیف تر می شود.” ما این اختلاف را «اشکال کیهانی» می نامیم. گویی گرانش به طور کامل با نظریه انیشتین مطابقت ندارد.»
مشکل کیهانی که توسط تیم توضیح داده شد نیاز به تغییر در مقداری به نام ثابت گرانشی دارد. این تغییر با نزدیک شدن محاسبات به «ابر افق» یا حداکثر مسافتی که نور از زمان پیدایش جهان می تواند طی کند، رخ خواهد داد.
تیم می‌گوید این اصلاح را می‌توان با افزودن یک پسوند واحد به مدل استاندارد کیهان‌شناسی انجام داد. این مدل به مدل ماده تاریک سرد لامبدا معروف است. پس از تکمیل، اصلاح باید تناقضات اندازه‌گیری را در مقیاس‌های کیهانی بدون تأثیرگذاری بر استفاده‌های موفق موجود از نسبیت عام روشن کند.
نسبیت عام چیست و ممکن است اشتباه باشد؟
کشف نسبیت عام بسیار انقلابی بود، زیرا، به جای توصیف جاذبه زمین به عنوان یک نیروی اسرارآمیز، فرض می کند که گرانش از انحنای بافت فضا و زمان ناشی می شود که به عنوان یک موجود واحد به نام «فضا-زمان» متحد شده اند. و این انحنا، انیشتین متوجه شد که توسط اجسامی با جرم شکل می گیرد.
تصور کنید توپ هایی با جرم فزاینده را روی یک ورقه لاستیکی کشیده قرار دهید. یک توپ تنیس یک فرورفتگی کوچک و تقریبا نامحسوس ایجاد می کند. توپ کریکت فرورفتگی بارزتری ایجاد می کند. و توپ بولینگ منحنی بزرگی را تحریک می کند که احتمالاً هر چیز دیگری را روی برگ به سمت خود می کشد. این همان مفهوم با اجسام در فضا است، اگرچه انحنای فضازمان در چهار بعد وجود دارد، بنابراین تفاوت های بسیار کلیدی وجود دارد. با این حال، قمرها جرم کمتری نسبت به سیارات، سیارات کمتر از ستاره ها، و ستارگان کمتر از کهکشان ها دارند – بنابراین تأثیر گرانشی این اجرام آسمانی بر این اساس افزایش می یابد.
نظریه گرانش انیشتین مانند جانشینی برای نظریه نیوتن بود، اگرچه نظریه دوم هنوز در مقیاس زمین به خوبی کار می کند و به اندازه کافی دقیق است که موشک ها را به ماه ارسال کند. با این حال، نظریه انیشتین می تواند چیزهایی را توضیح دهد که نیوتن نمی تواند، مانند گردش عجیب عطارد به دور خورشید.
نیوتن درست نمی گفت اشتباه در مورد گرانش – او به سادگی در مورد مقیاس سیارات، ستاره ها و کهکشان ها اشتباه می کرد.
اما آیا نسبیت عام اشتباه است؟
خب احتمالا نه به عنوان یک نظریه، در پیش بینی جنبه هایی از جهان که ما از آنها اطلاعی نداشتیم بسیار دقیق است. به عنوان مثال، اولین تصویر از یک سیاهچاله که توسط تلسکوپ افق رویداد گرفته شده است در آوریل 2019 برای عموم آشکار شد. این تصویر به دلیل نزدیک بودن سیاهچاله M87* تا حدی تکان دهنده بود. شبیه پیش بینی های نسبیت عام است.
با این حال، دانشمندان آگاه هستند که چندین مشکل در نسبیت عام وجود دارد که ممکن است نیاز به تجدید نظر نهایی آن داشته باشد. به عنوان مثال، این نظریه با آن ادغام نمی شود مکانیک کوانتومی; بهترین توصیفی که ما از فیزیک در سطوح بنیادی کوچکتر از اتم داریم. این عمدتا به این دلیل است که در حال حاضر هیچ کدام وجود ندارد نظریه کوانتومی برای توصیف گرانش.
بنابراین به نظر می رسد که تعدیل نسبیت عام در مرحله ای برای “گسترش” دامنه آن به کوچکترین مقیاس های جهان – و به گفته این تیم، بزرگترین مقیاس ها – اجتناب ناپذیر به نظر می رسد.
برای دهه ها، محققان در تلاش برای ایجاد یک مدل ریاضی بوده اند که به نسبیت عام کمک می کند تا بر تناقضات خود غلبه کند، و ریاضیدانان کاربردی و اخترفیزیکدانان دانشگاه واترلو عمیقاً درگیر این جستجو هستند.
تغییر نسبیت عام؟ چی!
اگر ایده بازنگری نسبیت عام معادل بدعت به نظر می رسد، در نظر بگیرید که این اولین باری نخواهد بود که نظریه های مرتبط باید اصلاح شوند.
مدت کوتاهی پس از اینکه انیشتین برای اولین بار این نظریه را ارائه کرد، او و دیگران آن را برای ایجاد معادله ای برای توصیف وضعیت جهان گسترش دادند. در نتیجه نسبیت عام، این معادله پیش بینی می کند که جهان باید در حال تغییر باشد. مشکل این موضوع، اجماع علمی در آن زمان بود که جهان ساکن است. و در حالی که انیشتین با تغییر وضعیت موجود غریبه نبود، اتفاقاً با این تصویر بدون تغییر کیهانی موافق بود.
برای اطمینان از اینکه نسبیت عام جهان ایستا را پیش‌بینی می‌کند، انیشتین یک “عامل فاج” را اضافه کرد که بعدها آن را “بزرگترین اشتباه” خود توصیف کرد. ثابت کیهانی، و با حرف یونانی لامبدا نشان داده می شود. زمانی که ادوین هابل انیشتین را متقاعد کرد که جهان ساکن نیست، ثابت از فکر حذف می شود. او ادعا می کند که در حال گسترش است. و همانطور که امروز می دانیم، هابل واقعاً درست می گفت.
با این حال، لامبدا در واقع باز خواهد گشت. در پایان قرن بیستم، زمانی که ستاره شناسان دریافتند که جهان در حال انبساط است، اما این کار را با سرعتی شتابان انجام می دهد.
نیایش افشارید، استاد اخترفیزیک دانشگاه واترلو و پژوهشگر موسسه Perimeter در این بیانیه گفت: نزدیک به یک قرن پیش، ستاره شناسان کشف کردند که جهان ما در حال انبساط است. هر چه کهکشان‌ها دورتر باشند، سریع‌تر حرکت می‌کنند، تا جایی که به نظر می‌رسد تقریباً با سرعت نور حرکت می‌کنند، حداکثر سرعتی که نظریه انیشتین اجازه می‌دهد. یافته‌های ما نشان می‌دهد که در این مقیاس‌ها است که نظریه اینشتین نیز ممکن است کوتاه بیاید.”
پیشنهاد تیم دانشگاه واترلو برای یک “اشکال کیهانی” گرانش را در فواصل بسیار زیاد تغییر می دهد و فرمول های ریاضی انیشتین را برای توضیح این موضوع بدون “تغییر” نظریه گسترش می دهد.
ون گفت: «آن را به عنوان پاورقی برای نظریه انیشتین در نظر بگیرید. هنگامی که به مقیاس کیهانی رسیدید، شرایط و ضوابط اعمال می شود.
محققان پشت این نظریه مشکل کیهانی پیشنهاد می کنند که مشاهدات آینده از ساختار بزرگ مقیاس کیهان و یک میدان تابشی جهانی “فسیلی” به نام پس زمینه مایکروویو کیهانی (CMB) از رویدادی که اندکی پس از انفجار بزرگ رخ داد، ممکن است روشن کند که آیا یک مشکل کیهانی در گرانش عامل جریان است یا خیر.تنش های کیهانی”
این ممکن است شامل این باشد که چرا نظریه کوانتومی مقداری برای لامبدا می دهد که ضریب خیره کننده 10¹21 (10 به دنبال آن 120 صفر است)، بزرگتر از مشاهدات نجومی (جای تعجب نیست که برخی فیزیکدانان آن را می نامند “ بدترین پیش بینی نظری در تاریخ فیزیک!”).
افشوردی در پایان گفت: «این الگوی جدید ممکن است اولین سرنخ در یک معمای کیهانی باشد که ما شروع به حل آن در فضا و زمان کرده‌ایم.
تحقیقات این تیم در ظاهر می شود مجله کیهان شناسی و فیزیک اختر ذرات.