Нешто није како треба са теоријом гравитације, барем на јако великим размерама, тако да се чини да ће бити потребно да буде коригована, тврди тим научника у новој студији објављеној у часопису Nature Astronomy.
Гравитација је једна од четири фундаменталне силе, уз слабу, јаку и електромагнетску. Гравитациonа сила, која је дaлекосежна, делује на сву материју, али је на атомској скали врло слаба. Што је предмет (објекат) масивнији, то је она већа, а учинци се могу јасно видети у козмичким размерама у међуделовању небеских тела.
Електромагнетска сила је сила великог домета, резултат интеракција између наелектрисаних честица. Електромагнетизам добро описује понашање набијених честица, хемијске реакције које се темеље на размени електрона међу атомима и природу светлости, односно електромагнетске таласе.
Јака сила делује само на веома кратким растојањима, али је толико снажна да је у стању надвладати одбијање између позитивно набијених протона и одржати језгра атома на окупу.
Слаба сила је одговорна за распад честица, односно за прелазак једних честица у друге. Она учествује у нуклеарној фисији и фузији.
Једна од најпотврђенијих
Научне теорије су онолико добре колико се њихова предвиђања подударају с резултатима експеримената који их истражују у стварном свету. Ако се предвиђања потврђују, теорија преживљава проверу. Уколико се открију неслагања, теорија се мора модификовати или заменити новом која боље тумачи стварност.
Ајнштајнова општа теорија релативности, која се бави гравитацијом, једна је од најуспешнијих до сада у физици и науци уопште, уз квантну механику, стандардни модел честица и теорију еволуције, да набројимо само неке. Бројна предвиђања која из ње произлазе потврђена су у низу експеримената, од Едингтоновог 1919. до LIGO-овог 2015.
Едингтонов експеримент спроведен је током помрачења Сунца које је омогућило посматрање положаја звезда у дијелу неба у којем се налазило и наша матична, јер је њен сјај накратко био заклоњен. То опажање потврдило је да маса искривљује простор-време, како то предвиђа општа теорија релативности. Наиме, утврђено је да се звезде нису налазиле тачно на оним положајима на којима би биле да се близу путање њихових зрака до Земље није налазило Сунце, а то је потврдило да је наша звезда својом масом искривила простор-време, и тиме и путање зрака светлости (илустрација из 1919. доле).
Експеримент LIGO 2015. је непосрдно доказао да постоје гравитациони таласи које је општа теорија релативности, такође, предвидела. Чак ни сам Ајнштајн није веровао да ће икада бити могуће извести довољно прецизан експеримент који ће детектовати гравитационе валове, због тога што је теорија предсказивала да су њихове димензије минијатурне. Од 1919. до 2015. уприличен је низ других експеримената који су потврдили бројна друга предвиђања теорије релативности.
Показало се да општа теорија релативности одлично описује макросвемир, феномене везане уз велике масе на великим удаљеностима. Но, научници су већ дуже време свесни проблема који се јављају када покушају да је примене на изузетно малим таудаљинама, примерице у средиштима црних рупа или у Великом праску, где делују закони квантне механике, или на изузетно великим скалама када се покуша описати цео свемир.
„Наша нова студија, објављена у часопису Nature Astronomy, сада је тестирала Ајнштајнову теорију на највећим размерама”, написали су за магазин Conversation главни аутори научног рада Kазуја Kојама и Левон Погосијан. „Верујемо да би наш приступ једног дана могао помоћи у решавању неких од највећих мистерија у космологији, а резултати упућују на то да би теорију опште релативности на тим великим размерама можда требало прилагодити.”
Да ли модел није тачан?
Kвантна теорија предвиђа да празан простор, вакуум, заправо није потпуно празан, већ је пун енергије. Он садржи краткоживуће елементарне честице које искачу у квантном пољу и брзо се међусобно поништавају. Постојање енергије вакуума потврђено је тзв. Казимировим ефектом – због којег се две паралелне плоче у вакууму привлаче силом која је већа него што би се очекивало да је на делу само гравитација. То привлачење последица је чињенице да на плоче споља делују јаче силе него изнутра, јер је простор између плоча ограниченији него простор споља па дозвољава појаву много ограниченијег низа флуктуација вакуума. Резултат је да су спољне силе које гурају плоче једну према другој веће од оних измеђи које их држе на дистанци (илустрација доле).
Међутим, према теорији, енергија вакуума има негативну гравитацију – она гура, односно шири празан простор. Почетком 20. столећа превладавајуће научно мишљење било је да је свемир статичан, да се не шири, ни скупља, па је Ајнштајн у своје једначине увео математички фактор, познат као космолошка константа или ламбда (Λ). То је имплицирало постојање одбојне силе што прожима простор и супротставља се гравитационом привлачењу које држи материју на окупу. Ајнштајн је касније, када је откривено да се свемир шири, увођење ове константе назвао својом највећом заблудом.
Но, занимљиво је да је 1998. године откривено да се ширење свемира заправо убрзава, за што је 2011. додељена Нобелова награда за физику. Тиме је Ајнштајнова космолошка константа поново постала актуелна –главни кандидат за тамну енергију која узрокује убрзано ширење свемира. Међутим, показало се да је количина енергије вакуума, која се поистовећује с тамном енергијом, а потребна је за забележено убрзавање ширења свемира, за шездесетак редова величине мања од онога што предвиђа квантна теорија.
Из те разлике произашло је велико питање, названо „стари проблем космолошке константе”: Утиче ли енергија вакуума гравитационом силом на ширење свемира? Ако је тако, зашто је онда његова гравитација толико слабија од оне предвиђене теоријом? Уколико вакуум уопште не селује гравитацијом, шта то узрокује убрзавање ширења свемира?
Аутори поменутог научног рада истичу да с још не зна шта је то тамна енергија, али да се мора претпоставити да постоји да би се објаснило ширење свемира. Слично томе, нужно је претпоставити да постоји врста невидљиве материје, назване тамна твар, која је потребна да би се објаснило како су галаксије и јата звезда еволуирале у онакве какве их данас видимо. Другим речима, потребно је претпоставити постојање тамне твари јер у свемиру се не налази довољно видљиве материје да би се на темељу њеног гравитационог привлачења објаснило зашто се галаксије или јата звезда током ротације не разлете по свемиру.
Ове претпоставке уграђене су у стандардну космолошку теорију, названу модел ламбда хладне тамне твари (LCDM), која сугерише да у свемиру постоји око 70% тамне енергије, око 25% тамне твари и око 5% обичне, видљиве материје. Овај модел био је изузетно успешан у уклапању свих података које су космолози прикупили у протеклих 20 година. Но, чињеница да се већина свемира састоји од неразјашњених тамних сила и твари, које попримају чудне вредности које немају смисла, подстакла је многе физичаре да се запитају треба ли Ајнштајновој теорији гравитације модификација да би се описао цео свемир.
Нови обрт у том смислу догодио се пре неколико година када је постало очито да различити начини мерења брзине космичког ширења, названог Хаблова константа (Едвин Хабл је први открио да се свемир шири), дају различите одговоре, што је проблем који је постао познат као Хаблова тензија, односно напетост. У томе постоји неслагање, односно напетост између две различите вредности Хаблове константе. Једна је предвиђена космолошким моделом LCDM, који је замишљен тако да одговара космичком микроталаснном позадинском зрачењу, својеврсном одјеку, односно светлу преосталом од Великог праска. Друга вредност је брзина ширења свемира измерена на темељу посматрања удаљавања експлозивних звезда супернова у далеким галаксијама које служе као стандардне свеће за мерење удаљености.
Наиме, супернове типа 1а, будући да настају у експлозијама белих патуљака са фиксном критичном масом при којој ће експлодирати, стварају прилично доследан максималан сјај, а то омогућује да се користе као стандардне свеће за мерење удаљености галаксија од Земље – ако знамо колики би сјај супернове требало бити, по његовом смањењу можемо закључити колико је удаљена од нас. То, пак, омогућује мерење ширења свемира и његовог убрзавања. Физичари су предложили бројне теоријске идеје за модификовање модела LCDM које би могле објаснити Хаблову напетост, међу којима и алтернативне теорије гравитације, но коначно разрешење се још тражи.
Потрага за одговорима
Двојица речених аутора у својем научном чланку тврде да је могуће осмислити тестове којима се може проверавати поштује ли свемир правила Ајнштајнове теорије. Kако је већ наведено, општа релативност описује гравитацију као закривљавање простора и времена које узрокује маса. Тим закривљењем савијају се путање дуж којих путују светлост и материја. Општа релативност предвиђа да би путање светлосних зрака и материје требало да буду савијене гравитацијом на исти начин. Они су у новом истраживању тестирали основне законе опште релативности и истражили може ли модификовање Ајнштајнове теорије помоћи у решавању неких отворених проблема космологије, попут Хаблове напетости.
Да би сазнали да ли је општа релативност тачна на великим размерама, први пут су кренули у истовремено истраживање три њена аспекта – ширење свемира, деловање гравитације на светлост и деловање гравитације на материју. Kористећи статистичку методу познату као Бајесова теорема, у рачунарском моделу реконструисали су гравитацију свемира кроз космичку прошлост на темељу наведена три параметра. Kористећи податке о космичком микроталасном позадинском зрачењу које је прикупио сателит Planck (слика доле), податке из каталога супернова и опажања облика и дистрибуције далеких галаксија направљена телескопима SDSS и DES, проценили су наведене параметре. Потом су своју реконструкцију упоредили с предвиђањем модела LCDM, који је у бити Ајнштајнов модел.
На тај начин су пронашли занимљиве назнаке могућег неслагања са Ајнштајновим предвиђањем, иако с прилично ниским статистичким значајем. Према тумачењу аутора, то значи да постоји могућност да гравитација делује другачије на великим размерама и да теорију опште релативности, можда, треба дорадити.
„Наша студија је, такође, открила да је врло тешко решити Хаблов проблем напетости само променом теорије гравитације. Потпуно решење би, вероватно, захтевало неки нови састојак у космолошком моделу, који је постојао пре времена када су се протони и електрони први пут спојили у водоник непосредно након Великог праска, попут посебног облика тамне твари, ране врсте тамне енергије или неких примордијалних магнетских поља. Или можда постоји још непозната системска грешка у подацима. С тим у вези, наша студија је показала да је могуће тестирати ваљаност опште релативности на космолошким удаљеностима помоћу опажених података. Иако још нисмо решили проблем Хаблове тензије, за неколико година имаћемо знатно више података из нових сонди. То значи да ћемо моћи користити ове статистичке методе за наставак прилагођавања опште релативности и истраживање граница модификација, да бисмо отворили пут решавању неких отворених изазова у космологији”, закључили су аутори.
(Индекс)
