Теорию относительности Эйнштейна проверили в космическом масштабе: появились нестыковки

Все во Вселенной имеет гравитацию и ощущает ее влияние, но это самое распространенное из всех фундаментальных взаимодействий также является самой большой проблемой для физиков.

Неработающая теория

Общая теория относительности Альберта Эйнштейна успешно работает при описании гравитации звезд и планет, но ученые считают, что ее нельзя идеально применить в масштабах всей Вселенной.

"Нестыковки в этой теории начинают появляться, когда мы пытаемся применить ее к очень маленьким расстояниям, где действуют законы квантовой механики, или, когда мы пытаемся описать всю Вселенную. Поэтому мы создали модель для того, чтобы проверить работоспособность теории Эйнштейна в космическом масштабе. То, что у нас получилось, показывает, что общая теория относительности, возможно, требует исправления", — говорит Кояма.

Квантовая теория предсказывает, что весь космический вакуум заполнен невидимой энергией и можно заметить только ее изменения, но не узнать о ее общем количестве. Но, согласно Эйнштейну, эта энергия имеет отталкивающую гравитацию и может расширять все пустое пространство. Кстати, в конце 90- годов прошлого века ученые выяснили, что расширение Вселенной на самом деле ускоряется. Но количество этой темной энергии, как ее стали называть, намного меньше, чем предсказывает квантовая теория.

"Поэтому возник важный вопрос: имеет ли темная энергия гравитацию и может ли она оказывать гравитационное влияние на расширение Вселенной? Если это так, то почему ее гравитация намного слабее, чем предполагалось? Если же гравитации вообще нет у этой энергии, то что вызывает космическое ускорение?", — говорит Погосян.

Темная энергия и темная материя

По словам ученых, до сих пор неизвестно, что из себя представляет темная энергия, но нужно считать, что она существует, чтобы объяснить расширение Вселенной. Точно так же не совсем понятно, чем является темная энергия, но она должна существовать, чтобы объяснить, как галактики и скопления галактик эволюционировали с течением времени именно так, какими мы их знаем сегодня.

"Эти предположения являются частью стандартной космологической модели, которая называется Модель Лямбда-CDM. Эта модель предполагает, что Вселенная состоит на 70% из темной энергии, на 25% из темной материи и на 5% из обычной материи. Эта модель успешно согласовывалась со всеми данными, которые собрали ученые за последние десятилетия. Но тот факт, что наша Вселенная состоит на 95% из необычных темной энергии и темной материи заставил многих ученых задуматься о том, что теория гравитации Эйнштейна нуждается в изменении, чтобы описать весь космос", — говорит Кояма.

Расширение Вселенной и проблемы в оценке его скорости

Но недавно ученые выяснили, что разные способы измерения скорости расширения Вселенной, которая называется постоянной Хаббла, дают разные результаты. Это стали называть проблемой Хаббла. Разногласия возникают между двумя значениями постоянной Хаббла:

Значением, которое предсказывает Модель Лямбда-CDM, которое отражало скорость расширения в соответствии с реликтовым излучением, которое осталось после Большого взрыва.
Значением, которое показывает скорость расширения Вселенной при наблюдении за взрывами сверхновых в далеких галактиках.

Фокус уже писал о том, что ученые подтвердили существующие различия между двумя разными способами оценки скорости расширения нашей Вселенной.

Ученые предложили много способов объяснить эти разногласия, в том числе и альтернативную теорию гравитации. Фокус уже писал о том, что недавнее исследование показало, что ученые возможно нашли подтверждение этой альтернативной теории гравитации.

темная материя — По словам ученых, до сих пор неизвестно, что из себя представляет темная энергия, но нужно считать, что она существует, чтобы объяснить расширение Вселенной. Точно так же не совсем понятно, чем является темная энергия, но она должна существовать, чтобы объяснить, как галактики и скопления галактик эволюционировали с течением времени именно так, какими мы их знаем сегодня

Фото: E R Fuller/National Science Foundation

Проверка теории Эйнштейна на прочность

"В рамках нового исследования мы решили проверить, подчиняется ли вся Вселенная тем правилам, которые обосновал в своей теории Альберт Эйнштейн. Общая теория относительности описывает гравитацию как искривление пространства и времени, то есть искривление путей, по которым двигаются свет и материя. То есть излучение и материя должны искривляться под действием гравитации", — говорит Погосян.

Чтобы выяснить, верна ли общая теория относительности в космических масштабах, ученые впервые решили одновременно исследовать три ее важных составляющих:

расширение Вселенной;
воздействие гравитации на свет;
воздействие гравитации на материю.

"Мы реконструировали гравитацию Вселенной в компьютерной модели, основанной на этих трех параметрах. Мы использовали данные об измерениях реликтового излучения, а также данные о сверхновых и о распределении далеких галактик. Затем мы сравнили нашу реконструкцию с предсказанием модели Модель Лямбда-CDM, а по сути это модель Эйнштейна. В результате мы нашли намек на то, что существуют нестыковки в предсказаниях Эйнштейна. Хотя это несовпадение имеет очень маленькую статистическую погрешность, но оно существует", — говорит Кояма.

Теорию относительности придется исправить

Ученые считают, что все-таки существует большая вероятность того, что гравитация работает не так, как предсказывает теория Эйнштейна в больших космических масштабах. И скорее всего общая теория относительности нуждается в исправлении.

"Наше исследование также показало, что очень сложно решить проблему Хаббла, только изменив теорию гравитации. Полное решение этой проблемы требует нового компонента космологической модели, который существовал до того, как протоны и электроны впервые объединились в водород сразу после Большого взрыва. Это может быть особая форма темной материи или же ранняя разновидность темной энергии. А может быть в полученных данных о космосе существует какая-то неизвестная ошибка", — говорит Кояма.

Фокус также писал о еще одной теории, которую предложили американские ученые в недавнем исследовании, которая гласит, что наша Вселенная не начиналась с Большого взрыва. Это была просто следующая фаза ее эволюции.