Mobili versija | Apie | Visos naujienos | RSS | Kontaktai | Paslaugos
 
Jūs esate čia: Pradžia » Visos temos » Mokslas » Įdomusis mokslas

Ar galėtų pamiršta Einšteino erdvės teorija išspręsti kosmologijos krizę?

2021-10-16 (0) Rekomenduoja   (29) Perskaitymai (110)
    Share

Kadaise Einšteinas sukūrė teoriją, kurioje erdvė ne tik išlinksta, bet ir su kasi kaip ciklonas. Dabar nuo jos nupučiamos dulkės, nes ji galėtų išspręsti kelias didžiausias kosmologijos problemas

Kadaise žmonės tuščią erdvę taip ir vertino – kaip beženklę tuštumą. Bet kuo daugiau šią tuštumą tyrinėjome, tuo labiau toks požiūris tolo nuo tiesos. Oras pilna besitrankančių dujų molekulių. Kosmose, už atmosferos ribų, dar lieka kvantiniai laukai ir šviesos dalelės. Net tuščiausi tarpgalaktinės erdvės užkampiai nėra beveidžiai – išlinkti ir kreivėti gali pati erdvė.

O ką, jei dar nepasiekėme erdvės būties dugno? Savo karjeros viduryje, Albertas Einšteinas įsitikino, kad jo sukurtame bendrajame reliatyvume, didingoje erdvės ir laiko teorijoje, kažko trūksta. Taip, erdvė išsikreipia ir linksta – bet ne taip, kaip manė. Atsižvelgus į tikrąjį erdvės susukimą, manė jis, būtų galima priartėti prie didžiosios vienijančios fizikos teorijos.

Einšteinas šios idėjos iki galo neperprato, ir beveik šimtmetį ji gulėjo, praktiškai nejudinama. Bet dabar atsirado naujas pretekstas ją atgaivinti. Fizikai pluša su velnioniškomis kosmologijos problemomis, verčiančiomis kvestionuoti net labiausiai pripažįstamų teorijų pagrindus. Tamsioji energija, nenustatytas kažkas, vis sparčiau plečiantis visatą, tėra vienas iš pavyzdžių.

Kai kurie fizikai klausia, ar atsakyti į visas šias problemas būtų galima dar sykį paderinus mūsų supratimą apie pačią erdvę. Šįkart tikslas nėra visos fizikos suvienijimas. Bet tinkamai susukus erdvę, panašu, būtų galima išspręsti daugelį kirbančių fizikos problemų.

Dabartinio mūsų erdvės suvokimo pradžia galima laikyti 1915 metus, kai Einšteinas publikavo savo bendrąją reliatyvumo teoriją. Pastatyta ant jo supratimo, kad objektų reakcija į gravitaciją niekuo nesiskiria nuo reakcijos į pagreitį – ekvivalentiškumo principo – teorija teigia, kad erdvės ir laiko atskirai nagrinėti neįmanoma, o tik kaip keturmatę realybės drobę, erdvėlaikį.

Lyg to nebūtų gana, Einšteinas parodė, kad bet koks masę turintis objektas šį erdvėlaikį iškreipia, kaip aukštesnio matmens kėglių kamuolys – trampliną. Šie erdvėlaikio nelygumai ir sukelia gravitaciją. Iš dangaus krentantys objektai seka nematomomis erdvėlaikio audinio linijomis. Tai nuostabi teorija, atlaikiusi laiko išbandymus. Bet rūpesčiai tvenkėsi jau pačiam Einšteinui.

Praėjusio amžiaus trečio dešimtmečio pradžioje jis su kolegomis klojo sėkmingiausios fizikos idėjos – kvantų teorijos – pamatus. Ji paaiškina subatominio pasaulio prigimtį, neišskiriant ir elektromagnetizmo, sąveikos, sukuriančios šviesą ir įelektrintų dalelių tarpusavio trauką ir stūmą. Jau iš pat pradžių šios teorijos pasirodymas privertė įprastą pasaulio supratimą palikti rūbinėje. Ji prognozuoja, kas nutiks, stebėtojui išmatavus kvantinę dalelę, ir teigia, kad prieš matavimą dalelė egzistuoja ūkanotame neapibrėžtumo debesyje. Einšteinui tai visai nepatiko; jis manė, kad atsitiktinumas ir netikslumas pačioje teorijos šerdyje yra tikras ženklas, kad kažko nežinome, o ne tikras gamtos prigimties aspektas.

„Masyvūs objektai verstų erdvėlaikį suktis, sukeldami nelyginant cikloną tikrovės audinyje“

Tad, jis ėmėsi alternatyvios elektromagnetizmo teorijos, parašytos panašia matematine kalba, kaip ir bendrasis reliatyvumas. Norint suprasti, kaip ji veikia, reikia žinoti, kad matematikai apie daiktų išlinkimą gali kalbėti dviem būdais. Pirmasis vadinamas tiesiog kreiviu ir apibūdina linijų išlinkimą. Antroji, sudėtingesnė kalba yra torsionas, naudojamas aprašyti objektų sukimąsi. Spagečius lėkštėje būtų galima aprašyti kaip kreivį, bet norint aprašyti kamščiatraukišką fusilių formą, neapsieitume be torsiono.

Dirbdamas su bendruoju reliatyvumu, Einšteinas išsiaiškino, kad erdvėlaikio aprašymui idealiai tinka 4D kreivio versija. Naujas jo planas bubo sukurti šios teorijos torsioninę versiją ir patikrinti, ar taip pavyktų kartu paaiškinti gravitaciją ir elektromagnetizmą. Tai buvo žavinga idėja. Naujojoje hipotezėje masyvūs objektai ir elektros krūvį turintys objektai verstų suktis erdvėlaikio audinį kaip cikloną. Jie tai darytų šiek tik skirtingai, vienu atveju sukurdami elektromagnetizmą, o kitu – gravitaciją.

Savo hipotezę Einšteinas publikavo 1928 metais. Bet jam nepavyko priversti jos tinkamai veikti – perrašyta teorija tebuvo naujai išreikštas tas pats bendrasis reliatyvumas ir elektromagnetizmo paaiškinti negalėjo. Ši teorija vadinama teleparaleline gravitacija (TPG), pagal tai, kaip ji iš pradžių buvo analizuojama, tikrinant tiesių erdvėje lygiagretumą.

 

Vėlesniais dešimtmečiais teleparaleline gravitacija kartkartėmis užsiimdavo fizikos teoretikai. Tuo tarpu bendrasis reliatyvumas vieną po kitos skynė pergales, o kvantų teorija subrendo ir dominavo fundamentaliojoje fizikoje. Susidomėjimas Einšteino suvienijimo pastangomis vadėjosi.

Dabar fizikos padėtis visai kita. Bendrojo reliatyvumo teorijos ir kvantų teorijos teisingumas vėl ir vėl patvirtinamas. Tačiau aiškėja, kad jos negali išsamiai aprašyti realybės, nes nėra suderinamos tarpusavyje. O kur dar atsakymo laukiančios didžiosios kosmologijos problemos (žr. „Keturios problemos, vienas sprendimas“).

Viena iš pirmųjų paaiškėjo maždaug prieš 20 metų, kai astronomai pastebėjo, kad visata ne tik plečiasi, bet ir plečiasi greitėdama. Negalime to paaiškinti kaip nors kitaip, tik pasitelkdami nežinomą substanciją – tamsiąją energiją. Vėlesniais metais išryškėjo dar labiau gluminanti problema. Matuojant plėtimosi spartą dviem skirtingais metodais – paremtu sprogstančiomis žvaigždėmis ir paremtu po didžiojo sprogimo likusiu kosminiu mikrobangų fonu, – gaunami reikšmingai besiskiriantys rezultatai. Vis dar įmanoma, kad šią Hubble'o įtampą kelia matavimo klaidos, bet nehiperbolizuodami galime sakyti, kad kosmologija patiria krizę.

Vienas sprendimas galėtų būti pripažinti, kad bendrasis reliatyvumas neidealiai aprašo tikrovę. Taip nereikėtų sukti galvos dėl tamsiosios energijos – tiesiog pati gravitacija veikia ne visai taip, kaip manėme.

Teoretikai bendrąjį reliatyvumą bando modifikuoti jau ne vieną dešimtmetį. Dauguma – pridėdami naujus ingredientus į formulę, leidžiančius erdvėlaikiui išlinkti ne vien dėl masės ar energijos. Bet kai tiek pasiūlymų, kaip žinoti, ar kuris iš jų teisingas?

Vienas būdas susijęs su gravitacinėmis bangomis, erdvėlaikio fluktuacijomis, sukeltomis susidūrimų tarp žvaigždžių, juodųjų bedugnių ir panašiai. Remiantis bendrąja reliatyvumo teorija (BRT), šios bangos turėtų sklisti šviesos greičiu. Bet modifikuotos gravitacijos teorijos beveik visuomet numato kiek mažesnį jų greitį.

 

2017 metais pavyko užfiksuoti susiduriančių neutroninių žvaigždžių sukeltas gravitacines bangas – ir jų išskirtą šviesą. Šviesos žybsnis ir gravitacinės bangos Žemę pasiekė tą pačią sekundę. Sulėtėjimo nebuvo, ir šis rezultatas nubraukė beveik visas modifikuotos gravitacijos teorijas.

Paskutinis karys

Bet ne teleparalelią gravitaciją. Ši teorija nenumato jokio gravitacinių bangų sklidimo greičio pokyčių, o tai reiškia, kad norintiems Hubble'o įtampą ištaisyti, permąstant gravitaciją, telieka teleparalelinė gravitacija.

Tokia logika motyvuoja tokius žmones, kaip Jacksonas Saidas iš Maltos universiteto, teleparalelių tyrimų flagmaną. „Tai jaudinami laikai, kuomet bendruomenė sinergiškai imasi teleparaleline gravitacija spręsti kai kurias iš didžiausių modernios kosmologijos problemas,“ pažymėjo Saidas.

Ne jis vienas trykšta entuziazmu. „Kaip kosmologei, teleparalelinė gravitacija atrodo labai intriguojamai,“ sako Celia Escamilla-Rivera iš Meksikos nacionalinio autonomiško universiteto. „Džiaugiamės, kad ji gali nušviesti kosmologijos klausimus, tiek metu kėlusias problemas, tokias, kaip tamsiojo sektoriaus prigimtis.“

Seniai žinoma, kad BRT lygtis galima užrašyti tiek torsiono, tiek kreivio kalbas, ir jos veikia ekvivalenčiai. Tai buvo įrodyta 1976 m. Tad, jei Einšteinas būtų iš pat pradžių nusprendęs savo lygčių užrašymui naudoti torsionus, jo teorija būtų veikusi lygiai taip pat gerai.

Drąsiai viliamasi, kad teleparalelinė gravitacija iš tiesų geresnė už bendrąjį reliatyvumą. Matematinė torsionų kalba plastiškesnė už kreivio, tad tyrėjai gali pritaikyti materiją ir energiją aprašančias lygtis labiau reaguoti į erdvėlaikio susukimą. Beveik visomis aplinkybėmis, taip pat ir įprastą mūsų planetos sistemos erdvę, tokios modifikacijos nesukurtų jokio pastebimo skirtumo. Bet pasireikštų ekstremaliose situacijose, kaip Didžiojo sprogimo metu ar visos visatos masteliu – būtent ten, kur susiduriame su didžiausiomis problemomis.

 

2018 metais astrofizikas Rafael Nunes iš Brazilijos nacionalinio kosmoso tyrimų instituto Sao Paulo, panaudojo teleparalelinę gravitaciją Hubble'o įtampai tirti. Jis šiek tiek modifikavo bazinę TPG ir panaudojo ją visatos plėtimosi spartai skaičiuoti pagal KMF duomenis. Gautas rezultatas sutapo su iš supernovų matavimo gauta. Hubble'o įtampa atlėgo.

Yra publikuotų TPG modelių, galinčių paaiškinti ir kitas tris didžiąsias kosmologijos problemas. Bet jose naudojamos skirtingos modifikacijos – vieningos teleparalelinės gravitacijos teorijos nėra.

Tačiau neseniai padarytas atradimas, sustiprinęs TPG, atsigręžiantis į originaliąją Einšteino viziją. Vienas iš pirmaujančių vieningosios fizikos teorijos kandidatų yra stygų teorija, kurioje teigiama, kad visos visatos sąveikos ir energija kyla iš nematomų gijų vibracijų. Ši teorija gerokai kenčia dėl patikrinamų prognozių nebuvimo ir nepakeliamai sunkios matematikos. Bet nesant stiprių konkurentų, savo, kaip galimos visko teorijos padėtį išlaiko. Jeigu ji tokia yra, tuomet naują gravitacijos teoriją turėtų būti įmanoma išvesti iš stygų teorijos.

Anksčiau šiais metais, fizikos teoretikų komanda, vadovaujama Sebastiano Bahamonde'o iš Tartu universiteto Estijoje surado teleparalelinę gravitaciją stygų teorijoje. Naudodami iš stygų teorijos pasiskolintą matematinę kalbą, jie išvedė TPG paremtą visatos istoriją, ir išsiaiškino, kad ji pakartoja daug esminių mūsų kosmologinės praeities bruožų. Tai dar toli gražu nėra užbaigtas reikalas, tačiau tikrai kita užuomina. „Nesitikime, kad bendrasis reliatyvumas yra galutinė gravitacijos teorija,“ says Bahamonde.

Kosmologė Eleonora Di Valentino iš Durhamo universiteto, JK, nenuleidžia akių nuo TPG. „Mano požiūriu, šioje stadijoje visos galimybės yra sveikintinos,“ pabrėžė ji. „Teleparalelinė gravitacija yra greitai auganti, tačiau vis dar labai teorinė sritis.“

Vienintelis būdas patikrinti, ar TPG teisinga – ją išbandyti. Tačiau tai nėra paprasta. Pati idėja tokia marga, kad joks vienas bandymas nepatvirtintų jos teisingumo ar klaidingumo. Labiau tikėtina, kad pažanga rasis bandymuose sulaužyti bendrąjį reliatyvumą. Kol kas Einšteino teorija savo atsparumą įrodė be jokių klausimų, idealiai aprašydama netgi tokius ekstremalius scenarijus, kaip juodųjų bedugnių susidūrimai.

Mįslingasis ekvivalentiškumas

 

Tačiau gali būti vienas būdas tiesiogiai patikrinti teleparalelinę gravitaciją – panaudojant ekvivalentiškumo principą, pamatinę BRT idėją. Šis principas byloja, kad objekto gravitacinė, erdvėlaikį iškreipianti, masė yra tokia pati, kaip inercinė, bandymui jos judėjimo greitį ar kryptį pakeisti besipriešinanti, masė.

BRT ekvivalentiškumo principas privalo galioti, antraip teorija žlugtų. Bet niekados nebuvo akivaizdžios priežasties manyti, kad būtent taip ir yra. Težinome, kad empiriškai šis principas galioja – visi lig šiol atlikti eksperimentai jį patvirtino.

Vienas iš šio principo pasireiškimų yra tai, kad visi objektai, nepaisant jų masės, link Žemės krenta tokiu pačiu pagreičiu, jei tik nelieka oro pasipriešinimo. Žinome, kad tai tiesa vienos dalies iš trilijono tikslumu. Bet jei aptiktume tegul ir menkiausią skirtumą, tai parodytų, kad bendrasis reliatyvumas nėra visiškai teisingas ir būtų stiprus koziris TPG naudai.

Siūloma atlikti eksperimentą, kuris būtent tai galėtų patikrinti. Palydoviniu ekvivalentiškumo principo patikrinimo projektu siekiama iškelti aštuonias skirtingas bandomąsias mases į orbitą, uždengti jas nuo pasipriešinimo ir kuo tiksliausiai išmatuoti jų atsaką į Žemės gravitaciją. Jei bus užfiksuotas bent koks skirtumas, tai pažeistų ekvivalentiškumo principą – ir teleparalelizmas nekantraudamas galėtų paaiškinti rezultatus.

Pats Einšteinas kvantinės teorijos alternatyvos ieškojo iki pat mirties 1955-aisiais. Pamirštoji jo teorija nėra tokia, kokios jis kadaise tikėjosi. Bet gali būti, kad sukta jo kosmoso vizija nebuvo visai klaidinga. Bent jau kol kas Einšteino svajonė tebegyvuoja.

Keturios problemos, vienas sprendimas

Kosmologija susiduria su keturiomis didžiulėmis, susijusiomis problemomis. Atgaivinta teleparalelinės gravitacijos teorija gali į visas jas atsakyti.

I problema 1: Tamsioji materija

Nuo praėjusio amžiau aštuntojo dešimtmečio astronomai pradėjo suvokti, kad daug galaktikų sukasi taip greitai, kad turėtų išsiblaškyti į šonus – nebent, aišku, jose yra papildomos, nematomos materijos. Kiti įrodymai įtikino mus, kad tamsioji materija sudaro daugiau nei 80 procentų visos visatos materijos – bet kas ji tokia, nežinome.

II problema: Infliacija

 

Norėdami paaiškinti visatos tolydumą didžiausiu masteliu, kosmologai mano, kad po Didžiojo sprogimo ji plėtėsi neįtikėtinu greičiu. Tačiau kas sukėlė tą infliaciją ir kas ją užbaigė? Vienoje hipotezėje pasitelkiamas kvantinis laukas, kuris pakui dėl nepaaiškinamų priežasčių dingo.

III problema: Tamsioji energija

1998 metais buvo atrasta, kad visatos plėtimosi tempas didėja. Kol kas kosmologams tepavyko šiam fenomenui suteikti pavadinimą: tamsioji energija. Kas iš tiesų tai yra, neturime žalio supratimo.

IV problema: Hubble'o įtampa

Dabartinę visatos plėtimosi spartą – Hubble'o konstantą – galime išmatuoti dviem būdais: remdamiesi supernovomis ir likusiu po didžiojo sprogimo spinduliavimu, kosminiu mikrobangų fonu (KMF). Šiuo metodu gaunama ~10% mažesnė Hubble'o konstantos reikšmė, nei pirmuoju.

Sprendimas:

Teleparalelinės gravitacijos teorijoje tamsiosios energijos ir tamsiosios materijos nereikia, nes įprasta materija į gravitaciją reaguoja kitaip. Infliacija buvo, tačiau tik kaip natūrali ankstyvos visatos būsenos pasekmė. Hubble'o įtampa irgi išnyksta. Jei didžiausiais masteliais gravitacija veikia kitaip nei manome, tuomet tektų paderinti KMF analizę. Iš tiesų, teleparalelinės gravitacijos versija jau parodė principinį Hubble'o įtampos sprendimą (žr. pagrindinį pasakojimą).

Paul M.Sutter
www.newscientist.com

Verta skaityti! Verta skaityti!
(29)
Neverta skaityti!
(0)
Reitingas
(29)
Komentarai (0)
Komentuoti gali tik registruoti vartotojai
Komentarų kol kas nėra. Pasidalinkite savo nuomone!
Naujausi įrašai

Įdomiausi

Paros
36(9)
30(1)
29(3)
29(9)
23(0)
21(0)
20(0)
18(6)
Savaitės
90(1)
80(0)
77(6)
Mėnesio
111(22)
102(1)
92(0)
82(5)