اختبر العلماء نسبية أينشتاين على مقياس كوني ، ووجدوا شيئًا غريبًا: ScienceAlert

كل شيء في الكون له جاذبية – ويشعر بها أيضًا. ومع ذلك ، فإن هذه القوة الأساسية الأكثر شيوعًا هي أيضًا التي تمثل أكبر التحديات لعلماء الفيزياء.

نظرية النسبية العامة لألبرت أينشتاين كان ناجحًا بشكل ملحوظ في وصف جاذبية النجوم والكواكب ، ولكن لا يبدو أنه ينطبق تمامًا على جميع المقاييس.

النسبية العامة اجتاز سنوات عديدة من اختبارات الملاحظة ، من قياس إدينجتون من انحراف ضوء النجوم من الشمس في عام 1919 إلى الكشف الأخير عن موجات الجاذبية.

ومع ذلك ، تبدأ الفجوات في فهمنا بالظهور عندما نحاول تطبيقه على مسافات صغيرة للغاية ، وأين تعمل قوانين ميكانيكا الكم، أو عندما نحاول وصف الكون بأسره.

دراستنا الجديدة ، نشرت في علم الفلك الطبيعيلقد اختبر الآن نظرية أينشتاين على أكبر المقاييس.

نعتقد أن نهجنا قد يساعد يومًا ما في حل بعض أكبر الألغاز في علم الكونيات ، وتشير النتائج إلى أن نظرية النسبية العامة قد تحتاج إلى تعديل على هذا النطاق.

نموذج معيب؟

تتنبأ نظرية الكم بأن الفضاء الفارغ ، الفراغ ، مليء بالطاقة. لا نلاحظ وجودها لأن أجهزتنا يمكنها فقط قياس التغيرات في الطاقة بدلاً من مقدارها الإجمالي.

ومع ذلك ، وفقًا لأينشتاين ، فإن طاقة الفراغ لها جاذبية مثيرة للاشمئزاز – فهي تدفع الفضاء الفارغ بعيدًا عن بعضها. ومن المثير للاهتمام ، أنه في عام 1998 ، تم اكتشاف أن توسع الكون يتسارع في الواقع (وهو الاكتشاف الذي تم منحه مع 2011 جائزة نوبل في الفيزياء).

ومع ذلك ، فإن مقدار طاقة الفراغ ، أو الطاقة المظلمة كما تم تسميته ، من الضروري شرح التسارع هو العديد من الأوامر من حيث الحجم أصغر مما تتنبأ به نظرية الكم.

ومن هنا فإن السؤال الكبير ، الذي أطلق عليه اسم “مشكلة الثابت الكوني القديم” ، هو ما إذا كانت طاقة الفراغ تنجذب فعلاً – مما يؤدي إلى قوة الجاذبية وتغيير تمدد الكون.

إذا كانت الإجابة بنعم ، فلماذا تكون جاذبيتها أضعف بكثير مما كان متوقعًا؟ إذا لم ينجذب الفراغ إطلاقا ، فما الذي يسبب التسارع الكوني؟

لا نعرف ما هي الطاقة المظلمة ، لكننا نحتاج إلى افتراض وجودها من أجل تفسير توسع الكون.

وبالمثل ، نحتاج أيضًا إلى افتراض وجود نوع من وجود المادة غير المرئية مدبلج المادة المظلمةلشرح كيف تطورت المجرات والعناقيد لتكون الطريقة التي نراقبها بها اليوم.

تم دمج هذه الافتراضات في النظرية الكونية القياسية للعلماء ، والتي تسمى نموذج لامدا للمادة المظلمة الباردة (LCDM) – مما يشير إلى وجود 70 في المائة من الطاقة المظلمة ، و 25 في المائة من المادة المظلمة ، و 5 في المائة من المادة العادية في الكون. وقد حقق هذا النموذج نجاحًا ملحوظًا في ملاءمة جميع البيانات التي جمعها علماء الكونيات على مدار العشرين عامًا الماضية.

لكن حقيقة أن معظم الكون يتكون من قوى ومواد مظلمة ، تأخذ قيمًا غريبة لا معنى لها ، دفعت العديد من الفيزيائيين إلى التساؤل عما إذا كانت نظرية أينشتاين في الجاذبية تحتاج إلى تعديل لوصف الكون بأكمله.

ظهر تطور جديد منذ بضع سنوات عندما أصبح واضحًا أن طرقًا مختلفة لقياس معدل التوسع الكوني ، أطلق عليها اسم ثابت هابل، أعط إجابات مختلفة – مشكلة معروفة باسم توتر هابل.

الخلاف أو التوتر بين قيمتين لثابت هابل.

الأول هو الرقم الذي تنبأ به النموذج الكوني LCDM ، والذي تم تطويره ليتناسب الضوء الذي خلفه الانفجار العظيم (ال الخلفية الكونية الميكروويف إشعاع).

والآخر هو معدل التمدد الذي يُقاس بملاحظة النجوم المتفجرة المعروفة باسم المستعرات الأعظمية في المجرات البعيدة.

تم اقتراح العديد من الأفكار النظرية لطرق تعديل LCDM لشرح توتر هابل. من بينها نظريات الجاذبية البديلة.

البحث عن أجوبة

يمكننا تصميم اختبارات للتحقق مما إذا كان الكون يطيع قواعد نظرية أينشتاين.

تصف النسبية العامة الجاذبية على أنها انحناء أو انحراف في المكان والزمان ، مما يؤدي إلى ثني المسارات التي يسير الضوء والمادة على طولها. الأهم من ذلك ، أنه يتنبأ بأن مسارات أشعة الضوء والمادة يجب أن تنحني عن طريق الجاذبية بنفس الطريقة.

بالتعاون مع فريق من علماء الكونيات ، قمنا باختبار القوانين الأساسية للنسبية العامة. استكشفنا أيضًا ما إذا كان تعديل نظرية أينشتاين يمكن أن يساعد في حل بعض المشكلات المفتوحة في علم الكونيات ، مثل توتر هابل.

لمعرفة ما إذا كانت النسبية العامة صحيحة على المقاييس الكبيرة ، شرعنا ، لأول مرة ، في التحقيق في ثلاثة جوانب منها في وقت واحد. كانت هذه توسع الكون ، وتأثيرات الجاذبية على الضوء ، وتأثيرات الجاذبية على المادة.

باستخدام طريقة إحصائية تُعرف باسم الاستدلال البايزي ، قمنا بإعادة بناء جاذبية الكون من خلال التاريخ الكوني في نموذج كمبيوتر يعتمد على هذه المعلمات الثلاثة.

يمكننا تقدير المعلمات باستخدام بيانات الخلفية الكونية الميكروية من القمر الصناعي بلانك ، وكتالوجات المستعرات الأعظمية وكذلك ملاحظات الأشكال وتوزيع المجرات البعيدة بواسطة SDSS و DES التلسكوبات.

ثم قمنا بمقارنة إعادة البناء الخاصة بنا بالتنبؤ بنموذج LCDM (نموذج أينشتاين بشكل أساسي).

وجدنا تلميحات مثيرة للاهتمام حول عدم تطابق محتمل مع تنبؤات أينشتاين ، وإن كان ذلك مع دلالة إحصائية منخفضة نوعًا ما.

هذا يعني أنه لا يزال هناك احتمال أن تعمل الجاذبية بشكل مختلف على نطاقات كبيرة ، وأن نظرية النسبية العامة قد تحتاج إلى تعديل.

وجدت دراستنا أيضًا أنه من الصعب جدًا حل مشكلة توتر هابل من خلال تغيير نظرية الجاذبية فقط.

ربما يتطلب الحل الكامل مكونًا جديدًا في النموذج الكوني ، موجودًا قبل الوقت الذي اجتمعت فيه البروتونات والإلكترونات لأول مرة لتكوين الهيدروجين بعد الانفجار العظيم، مثل شكل خاص من المادة المظلمة ، أو نوع مبكر من الطاقة المظلمة ، أو المجالات المغناطيسية البدائية.

أو ربما هناك خطأ منهجي غير معروف في البيانات.

ومع ذلك ، أثبتت دراستنا أنه من الممكن اختبار صحة النسبية العامة على مسافات كونية باستخدام بيانات الرصد. في حين أننا لم نحل مشكلة هابل بعد ، سيكون لدينا الكثير من البيانات من المسابير الجديدة في غضون بضع سنوات.

هذا يعني أننا سنكون قادرين على استخدام هذه الأساليب الإحصائية لمواصلة تعديل النسبية العامة ، واستكشاف حدود التعديلات ، لتمهيد الطريق لحل بعض التحديات المفتوحة في علم الكونيات.

كازويا كوياما، أستاذ علم الكونيات ، جامعة بورتسموث و ليفون بوجوسيانأستاذ الفيزياء ، جامعة سيمون فريزر

تم إعادة نشر هذه المقالة من المحادثة بموجب رخصة المشاع الإبداعي. إقرأ ال المقالة الأصلية.