Stellt eine kosmische „Störung“ in der Schwerkraft Albert Einsteins größte Theorie in Frage?
Die enorme Vorhersagekraft von Albert Einsteins Gravitations- und allgemeiner Relativitätstheorie aus dem Jahr 1915 lässt sich nicht leugnen, allerdings weist die Theorie immer noch Inkonsistenzen auf, wenn es darum geht, ihre Wirkung über weite Entfernungen zu berechnen. Neue Forschungsergebnisse deuten darauf hin, dass diese Diskrepanzen das Ergebnis eines „kosmischen Ungleichgewichts“ der Schwerkraft selbst sein könnten.
In den 109 Jahren seit ihrer ersten Formulierung blieb die Allgemeine Relativitätstheorie die beste Beschreibung der Schwerkraft im galaktischen Maßstab; Experimente haben die Genauigkeit wiederholt bestätigt. Diese Theorie wurde auch verwendet, um Aspekte des Universums vorherzusagen, die später durch Beobachtung bestätigt werden sollten. Dazu gehören der Urknall, die Existenz von Schwarzen Löchern, die Gravitationslinse des Lichts und winzige Wellen in der Raumzeit, sogenannte Gravitationswellen.
Allerdings vermittelt uns die Allgemeine Relativitätstheorie, ebenso wie die Newtonsche Gravitationstheorie, die sie übertraf, möglicherweise nicht das vollständige Bild dieser mysteriösen Kraft.
„Dieses Gravitationsmodell war für alles von entscheidender Bedeutung, von der Urknalltheorie bis zur Abbildung von Schwarzen Löchern“, sagte Robin Wen vom Fachbereich Mathematische Physik der University of Waterloo in einer Erklärung. „Aber wenn wir versuchen, die Schwerkraft auf kosmischer Ebene, auf der Ebene von Galaxienhaufen und darüber hinaus zu verstehen, stoßen wir auf deutliche Widersprüche zu den Vorhersagen der Allgemeinen Relativitätstheorie.“
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„Die Schwerkraft wird um etwa ein Prozent schwächer, wenn es um Entfernungen von Milliarden Lichtjahren geht“, sagte Wen. „Wir nennen diese Diskrepanz einen ‚kosmischen Fehler‘. Es ist, als ob die Schwerkraft selbst völlig nicht mehr mit Einsteins Theorie übereinstimmt.“
Die vom Team beschriebene kosmische Störung würde eine Änderung eines Wertes namens Gravitationskonstante erfordern. Diese Änderung wird eintreten, wenn sich die Berechnungen dem „Hyperhorizont“ nähern, also der weitesten Entfernung, die Licht seit Beginn des Universums zurücklegen konnte.
Das Team sagt, dass diese Modifikation durch Hinzufügen einer Erweiterung zum kosmologischen Standardmodell vorgenommen werden kann. Dieses Modell ist als Lambda-Modell der kalten dunklen Materie bekannt. Sobald die Änderung abgeschlossen ist, sollten Diskrepanzen bei Messungen auf kosmologischer Ebene beseitigt werden, ohne die derzeitigen erfolgreichen Anwendungen der Allgemeinen Relativitätstheorie zu beeinträchtigen.
Was ist allgemeine Relativitätstheorie und kann sie falsch sein?
Die Entdeckung der Allgemeinen Relativitätstheorie war so revolutionär, weil er die Schwerkraft nicht als eine mysteriöse Kraft beschrieb, sondern postulierte, dass die Schwerkraft aus der Krümmung des Gefüges von Raum und Zeit entsteht, die zu einer einzigen Einheit namens „Raumzeit“ vereint sind. Einstein erkannte, dass diese Krümmung von Objekten mit Masse gebildet wird.
Stellen Sie sich vor, Sie legen Kugeln mit zunehmender Masse auf eine gespannte Gummiplatte. Ein Tennisball würde eine kleine, kaum wahrnehmbare Delle hinterlassen; Ein Cricketball würde eine auffälligere Delle hinterlassen; Die Bowlingkugel würde eine riesige Kurve erzeugen, die wahrscheinlich alles andere auf dem Blatt anziehen würde. Bei Objekten im Raum ist es das gleiche Konzept, obwohl die Krümmung der Raumzeit in vier Dimensionen existiert, sodass es einige wesentliche Unterschiede gibt. Monde haben jedoch weniger Masse als Planeten, Planeten haben weniger Masse als Sterne und Sterne haben weniger Masse als Galaxien, sodass die Gravitationswirkung dieser Himmelskörper entsprechend zunimmt.
Einsteins Gravitationstheorie diente als Nachfolger von Newtons Theorie, obwohl letztere auf terrestrischen Maßstäben immer noch gute Dienste leistet und genau genug ist, um Raketen zum Mond zu befördern. Einsteins Theorie könnte jedoch Dinge erklären, die Newtons Theorie nicht erklären konnte, wie etwa die seltsame Umlaufbahn von Merkur um die Sonne.
Newton war nicht ganz so Fehler In Bezug auf die Schwerkraft hatte er mit den Maßstäben von Planeten, Sternen und Galaxien nicht Recht.
Aber ist die allgemeine Relativitätstheorie falsch?
Nun ja, vielleicht auch nicht. Als Theorie war sie sehr genau bei der Vorhersage von Aspekten des Universums, über die wir nichts wussten. Beispielsweise wurde das erste vom Event Horizon Telescope aufgenommene Bild eines Schwarzen Lochs im April 2019 der Öffentlichkeit zugänglich gemacht. Dieses Bild war etwas schockierend, da das Aussehen des supermassereichen Schwarzen Lochs M87* den Vorhersagen der Allgemeinen Relativitätstheorie ähnelte.
Wissenschaftler sind sich jedoch darüber im Klaren, dass es einige Probleme mit der Allgemeinen Relativitätstheorie gibt, die eventuell einer Überarbeitung bedürfen. Beispielsweise lässt sich die Theorie nicht mit der Quantenmechanik kombinieren; Unsere beste Beschreibung der Physik basiert auf grundlegenden Ebenen, die kleiner als das Atom sind. Dies liegt vor allem daran, dass es derzeit keine Quantentheorie zur Beschreibung der Schwerkraft gibt.
Daher scheinen irgendwann Modifikationen der Allgemeinen Relativitätstheorie, um ihren Anwendungsbereich auf die kleinsten Maßstäbe des Universums – und laut diesem Team die größten Maßstäbe – auszudehnen, unvermeidlich.
Seit Jahrzehnten versuchen Forscher, ein mathematisches Modell zu erstellen, das der Allgemeinen Relativitätstheorie dabei helfen würde, ihre Widersprüche zu überwinden, und angewandte Mathematiker und Astrophysiker der University of Waterloo waren maßgeblich an diesem Unterfangen beteiligt.
Allgemeine Relativitätstheorie ändern? Was!
Wenn die Idee, die Allgemeine Relativitätstheorie zu revidieren, wie Ketzerei klingt, bedenken Sie, dass dies nicht das erste Mal wäre, dass die damit verbundenen Theorien geändert werden müssten.
Kurz nachdem Einstein die Theorie erstmals vorgestellt hatte, erweiterten er und andere sie, um eine Gleichung zur Beschreibung des Zustands des Universums zu entwickeln. Aufgrund der Allgemeinen Relativitätstheorie sagte diese Gleichung voraus, dass sich das Universum verändern würde. Das Problem dabei war der damalige wissenschaftliche Konsens, dass das Universum statisch sei. Obwohl Einstein kein Unbekannter darin war, den Status quo in einen Zustand ständigen Wandels umzuwandeln, stimmte er zufällig mit diesem unveränderlichen kosmischen Bild überein.
Um die Vorhersage eines statischen Universums durch die Allgemeine Relativitätstheorie sicherzustellen, fügte Einstein einen „Korrekturfaktor“ hinzu, den er später als „seinen größten Fehler“ bezeichnete: Dies ist die sogenannte kosmologische Konstante, dargestellt durch den griechischen Buchstaben Lambda. Die Konstante würde aus dem Denken verschwinden, als Edwin Hubble Einstein davon überzeugte, dass das Universum nicht statisch sei. Er sagte, es werde erweitert. Soweit wir heute wissen, hatte Hubble tatsächlich recht.
Allerdings wird das Lambda tatsächlich zurückkehren. Am Ende des 20. Jahrhunderts wird es eine andere Funktion erfüllen, wenn Astronomen entdecken, dass sich das Universum nicht nur ausdehnt, sondern dass dies auch mit zunehmender Geschwindigkeit geschieht.
„Vor fast einem Jahrhundert entdeckten Astronomen, dass sich unser Universum ausdehnte“, sagte Niayesh Afsharid, Professor für Astrophysik an der University of Waterloo und Forscher am Ocean Institute, in der Erklärung. „Je weiter die Galaxien entfernt sind, desto schneller bewegen sie sich, bis zu dem Punkt, dass sie sich scheinbar mit nahezu Lichtgeschwindigkeit bewegen, dem von Einsteins Theorie erlaubten Maximum. Unsere Ergebnisse legen nahe, dass Einsteins Theorie in denselben Maßstäben möglich ist auch nicht genug sein.“
Der Vorschlag des Teams der University of Waterloo, dass ein „kosmischer Glitch“ die Schwerkraft über weite Entfernungen moduliert, erweitert Einsteins mathematische Formeln, um dieses Problem anzugehen, ohne die Theorie „zu Fall zu bringen“.
„Betrachten Sie es als eine Fußnote zu Einsteins Theorie“, sagte Wen. „Sobald Sie das Kosmische Reich erreichen, gelten die Allgemeinen Geschäftsbedingungen.“
Die Forscher hinter dieser kosmischen Glitch-Theorie schlagen vor, dass zukünftige Beobachtungen der großräumigen Struktur des Universums und eines Feldes globaler „fossiler“ Strahlung namens „Kosmischer Mikrowellenhintergrund“ (Cosmic Microwave Background, CMB) von einem Ereignis, das sich kurz nach dem Urknall ereignete, Licht ins Dunkel bringen könnten darüber, ob kosmische Störungen in der Schwerkraft für die aktuellen „kosmischen Spannungen“ verantwortlich sind.
Dazu könnte gehören, warum die Quantentheorie den Wert von Lambda angibt, der einen erstaunlichen Faktor von 10¹²¹ (10 gefolgt von 120 Nullen) hat, was größer ist, als astronomische Beobachtungen zeigen (kein Wunder, dass einige Physiker es „die schlechteste theoretische Vorhersage in der Geschichte des Universums“ nennen). “). Physik!“).
„Dieses neue Modell könnte nur der erste Beweis in dem kosmischen Puzzle sein, das wir über Raum und Zeit hinweg zu entwirren beginnen“, schloss Afshordi.
Die Forschung des Teams erscheint in Zeitschrift für Kosmologie und Astroteilchenphysik.
