Nešto nije kako treba sa teorijom gravitacije, barem na jako velikim razmerama, tako da se čini da će biti potrebno da bude korigovana, tvrdi tim naučnika u novoj studiji objavljenoj u časopisu Nature Astronomy.
Gravitacija je jedna od četiri fundamentalne sile, uz slabu, jaku i elektromagnetsku. Gravitaciona sila, koja je dalekosežna, deluje na svu materiju, ali je na atomskoj skali vrlo slaba. Što je predmet (objekat) masivniji, to je ona veća, a učinci se mogu jasno videti u kozmičkim razmerama u međudelovanju nebeskih tela.
Elektromagnetska sila je sila velikog dometa, rezultat interakcija između naelektrisanih čestica. Elektromagnetizam dobro opisuje ponašanje nabijenih čestica, hemijske reakcije koje se temelje na razmeni elektrona među atomima i prirodu svetlosti, odnosno elektromagnetske talase.
Jaka sila deluje samo na veoma kratkim rastojanjima, ali je toliko snažna da je u stanju nadvladati odbijanje između pozitivno nabijenih protona i održati jezgra atoma na okupu.
Slaba sila je odgovorna za raspad čestica, odnosno za prelazak jednih čestica u druge. Ona učestvuje u nuklearnoj fisiji i fuziji.
Jedna od najpotvrđenijih
Naučne teorije su onoliko dobre koliko se njihova predviđanja podudaraju s rezultatima eksperimenata koji ih istražuju u stvarnom svetu. Ako se predviđanja potvrđuju, teorija preživljava proveru. Ukoliko se otkriju neslaganja, teorija se mora modifikovati ili zameniti novom koja bolje tumači stvarnost.
Ajnštajnova opšta teorija relativnosti, koja se bavi gravitacijom, jedna je od najuspešnijih do sada u fizici i nauci uopšte, uz kvantnu mehaniku, standardni model čestica i teoriju evolucije, da nabrojimo samo neke. Brojna predviđanja koja iz nje proizlaze potvrđena su u nizu eksperimenata, od Edingtonovog 1919. do LIGO-ovog 2015.
Edingtonov eksperiment sproveden je tokom pomračenja Sunca koje je omogućilo posmatranje položaja zvezda u dijelu neba u kojem se nalazilo i naša matična, jer je njen sjaj nakratko bio zaklonjen. To opažanje potvrdilo je da masa iskrivljuje prostor-vreme, kako to predviđa opšta teorija relativnosti. Naime, utvrđeno je da se zvezde nisu nalazile tačno na onim položajima na kojima bi bile da se blizu putanje njihovih zraka do Zemlje nije nalazilo Sunce, a to je potvrdilo da je naša zvezda svojom masom iskrivila prostor-vreme, i time i putanje zraka svetlosti (ilustracija iz 1919. dole).
Eksperiment LIGO 2015. je neposrdno dokazao dapostoje gravitacioni talasi koje je opšta teorija relativnosti, takođe, predvidela. Čak ni sam Ajnštajn nije verovao da će ikada biti moguće izvesti dovoljno precizan eksperiment koji će detektovati gravitacione valove, zbog toga što je teorija predskazivala da su njihove dimenzije minijaturne.Od 1919. do 2015. upriličen je niz drugih eksperimenata koji su potvrdili brojna druga predviđanja teorije relativnosti.
Pokazalo se da opšta teorija relativnosti odlično opisuje makrosvemir, fenomene vezane uz velike mase na velikim udaljenostima. No, naučnici su već duže vreme svesni problema koji se javljaju kada pokušaju da je primene na izuzetno malim taudaljinama, primerice u središtima crnih rupa ili u Velikom prasku, gde deluju zakoni kvantne mehanike, ili na izuzetno velikim skalama kada se pokuša opisati ceo svemir.
„Naša nova studija, objavljena u časopisu Nature Astronomy, sada je testirala Ajnštajnovu teoriju na najvećim razmerama”, napisali su za magazin Conversationglavni autori naučnog rada Kazuja Kojama i Levon Pogosijan. „Verujemo da bi naš pristup jednog dana mogao pomoći u rešavanju nekih od najvećih misterija u kosmologiji, a rezultati upućuju na to da bi teoriju opšte relativnosti na tim velikim razmerama možda trebalo prilagoditi.”
Da li model nije tačan?
Kvantna teorija predviđa da prazan prostor, vakuum, zapravo nije potpuno prazan, već je pun energije. On sadrži kratkoživuće elementarne čestice koje iskaču u kvantnom polju i brzo se međusobno poništavaju. Postojanje energije vakuuma potvrđeno je tzv. Kazimirovim efektom –zbog kojeg se dve paralelne ploče u vakuumu privlače silom koja je veća nego što bi se očekivalo da je na delu samo gravitacija. To privlačenje posledica je činjenice da na ploče spolja deluju jače sile nego iznutra, jer je prostor između ploča ograničeniji nego prostor spolja pa dozvoljava pojavu mnogo ograničenijeg niza fluktuacija vakuuma. Rezultat je da su spoljne sile koje guraju ploče jednu prema drugoj veće od onih izmeđi koje ih drže na distanci (ilustracija dole).
Međutim, prema teoriji, energija vakuuma ima negativnu gravitaciju – ona gura, odnosno širi prazan prostor.Početkom 20. stoleća prevladavajuće naučno mišljenje bilo je da je svemir statičan, da se ne širi, ni skuplja, pa je Ajnštajn u svoje jednačine uveo matematički faktor, poznat kao kosmološka konstanta ili lambda (Λ). To je impliciralo postojanje odbojne sile što prožima prostor i suprotstavlja se gravitacionom privlačenju koje drži materiju na okupu. Ajnštajn je kasnije, kada je otkriveno da se svemir širi, uvođenje ove konstante nazvao svojom najvećom zabludom.
No, zanimljivo je da je 1998. godine otkriveno da se širenje svemira zapravo ubrzava, za što je 2011. dodeljena Nobelova nagrada za fiziku. Time je Ajnštajnova kosmološka konstanta ponovo postala aktuelna –glavni kandidat za tamnu energiju koja uzrokuje ubrzano širenje svemira.Međutim, pokazalo se da je količina energije vakuuma, koja se poistovećuje s tamnom energijom, a potrebna je za zabeleženo ubrzavanje širenja svemira, za šezdesetak redova veličine manja od onoga što predviđa kvantna teorija.
Iz te razlike proizašlo je veliko pitanje, nazvano „stari problem kosmološke konstante”: Utiče li energija vakuuma gravitacionom silom na širenje svemira? Ako je tako, zašto je onda njegova gravitacija toliko slabija od one predviđene teorijom? Ukoliko vakuum uopšte ne seluje gravitacijom, šta to uzrokuje ubrzavanje širenja svemira?
Autori pomenutog naučnog rada ističu da s još ne zna šta je to tamna energija, ali da se mora pretpostaviti da postoji da bi se objasnilo širenje svemira. Slično tome, nužno je pretpostaviti da postoji vrsta nevidljive materije, nazvane tamna tvar, koja je potrebna da bi se objasnilo kako su galaksije i jata zvezda evoluirale u onakve kakve ih danas vidimo. Drugim rečima, potrebno je pretpostaviti postojanje tamne tvari jer u svemiru se ne nalazi dovoljno vidljive materije da bi se na temelju njenog gravitacionog privlačenja objasnilo zašto se galaksije ili jata zvezda tokom rotacije ne razlete po svemiru.
Ove pretpostavke ugrađene su u standardnu kosmološku teoriju, nazvanu model lambda hladne tamne tvari (LCDM), koja sugeriše da u svemiru postoji oko 70% tamne energije, oko 25% tamne tvari i oko 5% obične, vidljive materije.Ovaj model bio je izuzetno uspešan u uklapanju svih podataka koje su kosmolozi prikupili u proteklih 20 godina.No, činjenica da se većina svemira sastoji od nerazjašnjenih tamnih sila i tvari, koje poprimaju čudne vrednosti koje nemaju smisla, podstakla je mnoge fizičare da se zapitaju treba li Ajnštajnovoj teoriji gravitacije modifikacija da bi se opisao ceo svemir.
Novi obrt u tom smislu dogodio se pre nekoliko godina kada je postalo očito da različiti načini merenja brzine kosmičkog širenja, nazvanog Hablova konstanta (Edvin Habl je prvi otkrio da se svemir širi), daju različite odgovore, što je problem koji je postao poznat kao Hablova tenzija, odnosno napetost. U tome postoji neslaganje, odnosno napetost između dve različite vrednosti Hablove konstante. Jedna je predviđena kosmološkim modelom LCDM, koji je zamišljen tako da odgovara kosmičkom mikrotalasnnom pozadinskom zračenju, svojevrsnom odjeku, odnosno svetlu preostalom od Velikog praska. Druga vrednost je brzina širenja svemira izmerena na temelju posmatranja udaljavanja eksplozivnih zvezda supernova u dalekim galaksijama koje služe kao standardne sveće za merenje udaljenosti.
Naime, supernove tipa 1a, budući da nastaju u eksplozijama belih patuljaka sa fiksnom kritičnom masom pri kojoj će eksplodirati, stvaraju prilično dosledan maksimalan sjaj, a to omogućuje da se koriste kao standardne sveće za merenje udaljenosti galaksija od Zemlje – ako znamo koliki bi sjaj supernove trebalo biti, po njegovom smanjenju možemo zaključiti koliko je udaljena od nas. To, pak, omogućuje merenje širenja svemira i njegovog ubrzavanja.Fizičari su predložili brojne teorijske ideje za modifikovanje modela LCDM koje bi mogle objasniti Hablovu napetost, među kojima i alternativne teorije gravitacije, no konačno razrešenje se još traži.
Potraga za odgovorima
Dvojica rečenih autora u svojem naučnom članku tvrde da je moguće osmisliti testove kojima se može proveravati poštuje li svemir pravila Ajnštajnove teorije. Kako je već navedeno, opšta relativnost opisuje gravitaciju kao zakrivljavanje prostora i vremena koje uzrokuje masa. Tim zakrivljenjem savijaju se putanje duž kojih putuju svetlost i materija. Opšta relativnost predviđa da bi putanje svetlosnih zraka i materije trebalo da budu savijene gravitacijom na isti način. Oni su u novom istraživanju testirali osnovne zakone opšte relativnosti i istražili može li modifikovanje Ajnštajnove teorije pomoći u rešavanju nekih otvorenih problema kosmologije, poput Hablove napetosti.
Da bi saznali da li je opšta relativnost tačna na velikim razmerama, prvi put su krenuli u istovremeno istraživanje tri njena aspekta – širenje svemira, delovanje gravitacije na svetlost i delovanje gravitacije na materiju.Koristeći statističku metodu poznatu kao Bajesova teorema, u računarskom modelu rekonstruisali su gravitaciju svemira kroz kosmičku prošlost na temelju navedena tri parametra. Koristeći podatke o kosmičkom mikrotalasnom pozadinskom zračenju koje je prikupio satelit Planck (slika dole), podatke iz kataloga supernova i opažanja oblika i distribucije dalekih galaksija napravljena teleskopima SDSS i DES, procenili su navedene parametre. Potom su svoju rekonstrukciju uporedili s predviđanjem modela LCDM, koji je u biti Ajnštajnov model.
Na taj način su pronašli zanimljive naznake mogućeg neslaganja saAjnštajnovim predviđanjem, iako s prilično niskim statističkim značajem. Prema tumačenju autora, to znači da postoji mogućnost da gravitacija deluje drugačije na velikim razmerama i da teoriju opšte relativnosti, možda, treba doraditi.
„Naša studija je, takođe, otkrila da je vrlo teško rešiti Hablov problem napetosti samo promenom teorije gravitacije. Potpuno rešenje bi, verovatno, zahtevalo neki novi sastojak u kosmološkom modelu, koji je postojao pre vremena kada su se protoni i elektroni prvi put spojili u vodonik neposredno nakon Velikog praska, poput posebnog oblika tamne tvari, rane vrste tamne energije ili nekih primordijalnih magnetskih polja. Ili možda postoji još nepoznata sistemska greška u podacima. S tim u vezi, naša studija je pokazala da je moguće testirati valjanost opšte relativnosti na kosmološkim udaljenostima pomoću opaženih podataka. Iako još nismo rešili problem Hablove tenzije, za nekoliko godina imaćemo znatno više podataka iz novih sondi. To znači da ćemo moći koristiti ove statističke metode za nastavak prilagođavanja opšte relativnosti i istraživanje granica modifikacija, da bismo otvorili put rešavanju nekih otvorenih izazova u kosmologiji”, zaključili su autori.
(Indeks)
