Tại sao Einstein phải sai: Đi tìm lý thuyết về lực hấp dẫn

Posted On: Tháng 10 10, 2023
Posted By: Clara Rehbein
Comments: 0

Bài viết này ban đầu được xuất bản trên Cuộc hội thoại. Bài viết được đóng góp bởi Space.com Tiếng nói của chuyên gia: Biên tập và hiểu biết sâu sắc.

Valerio Faraone Ông là giáo sư vật lý và thiên văn học tại Đại học Bishop. Andrea Giusti Ông là nghiên cứu sinh sau tiến sĩ tại Viện Công nghệ Liên bang Thụy Sĩ ở Zurich.

Lý thuyết hấp dẫn của Einstein – thuyết tương đối rộng – đã thành công rực rỡ trong hơn một thế kỷ. Tuy nhiên, nó có nhược điểm về mặt lý thuyết. Điều này không có gì đáng ngạc nhiên: lý thuyết này dự đoán rằng nó sẽ thất bại trong các điểm kỳ dị không-thời gian bên trong các lỗ đen và trong chính Vụ nổ lớn.

Không giống như các lý thuyết vật lý mô tả ba lực cơ bản khác trong vật lý – lực điện từ và tương tác hạt nhân mạnh và yếu – thuyết tương đối rộng chỉ được thử nghiệm trong lực hấp dẫn yếu.

Những sai lệch của lực hấp dẫn so với thuyết tương đối rộng không hề bị loại trừ hay xảy ra ở mọi nơi trong vũ trụ. Theo các nhà vật lý lý thuyết, sự lệch hướng chắc chắn sẽ xảy ra.

Có liên quan: Einstein có sai không? Trường hợp chống lại lý thuyết không-thời gian

Độ lệch và cơ học lượng tử

Theo Einstein, vũ trụ của chúng ta hình thành từ vụ nổ Big Bang. Những điểm kỳ dị khác ẩn giấu bên trong lỗ đen: không gian và thời gian không có ý nghĩa gì ở đó, trong khi những đại lượng như mật độ năng lượng và áp suất trở nên vô hạn. Những điều này cho thấy lý thuyết của Einstein đã thất bại ở đó và cần được thay thế bằng một lý thuyết cơ bản hơn.

Thật là ngây thơ khi giải quyết các điểm kỳ dị không-thời gian bằng cơ học lượng tử, áp dụng cho những quy mô rất nhỏ.

Vật lý lượng tử dựa trên hai ý tưởng đơn giản: Hạt điểm phi logic; và nguyên lý bất định của Heisenberg, phát biểu rằng giá trị của một số cặp đại lượng nhất định không bao giờ có thể được biết với độ chính xác tuyệt đối—ví dụ, vị trí và vận tốc của một hạt. Điều này là do các hạt không nên được xem là điểm mà là sóng; Ở quy mô nhỏ, chúng hoạt động như sóng vật chất.

READ Đã phát hiện ra 42 gen chưa từng biết về bệnh Alzheimer

Điều này đủ để hiểu rằng một lý thuyết bao gồm thuyết tương đối rộng và vật lý lượng tử phải không có những bệnh lý như vậy. Tuy nhiên, mọi nỗ lực kết hợp thuyết tương đối rộng và vật lý lượng tử nhất thiết sẽ dẫn đến những sai lệch so với lý thuyết của Einstein.

Hình ảnh nhật thực toàn phần năm 1919.

Hình ảnh nhật thực toàn phần năm 1919. (Tín dụng hình ảnh: Arthur Eddington/Giao dịch triết học của Hiệp hội Hoàng gia)

Vì vậy, lực hấp dẫn của Einstein không thể là lý thuyết cuối cùng về lực hấp dẫn. Trên thực tế, không lâu sau khi Einstein giới thiệu thuyết tương đối rộng vào năm 1915, Arthur Eddington, người nổi tiếng đã xác minh lý thuyết này trong nhật thực năm 1919, đã bắt đầu tìm kiếm các giải pháp thay thế chỉ để xem mọi thứ có thể khác đi như thế nào.

Cho đến nay, lý thuyết của Einstein đã vượt qua mọi thử nghiệm và đã dự đoán chính xác nhiều kết quả khác nhau từ lý thuyết này. Tiền tố quỹ đạo của Sao Thủy bởi sự hiện diện của sóng hấp dẫn. Vậy những sai lệch so với thuyết tương đối rộng này ẩn giấu ở đâu?

Vũ trụ học rất quan trọng

Một thế kỷ nghiên cứu đã cho chúng ta mô hình chuẩn của vũ trụ học được gọi là vật chất tối lạnh Mô hình (ΛCDM).. Ở đây Λ ám chỉ hằng số vũ trụ nổi tiếng của Einstein hoặc ám chỉ một năng lượng tối bí ẩn có những đặc tính tương tự.

Năng lượng tối được các nhà thiên văn học đưa ra cụ thể để giải thích sự tăng tốc giãn nở của vũ trụ. Mặc dù nó rất phù hợp với dữ liệu vũ trụ cho đến gần đây, nhưng đáng ngạc nhiên là mô hình ΛCDM vẫn chưa hoàn chỉnh và không đạt yêu cầu xét theo quan điểm lý thuyết.

Trong năm năm qua, tôi cũng đã trải qua những điều nghiêm trọng Căng thẳng quan sát. Hằng số Hubble, xác định thang tuổi và khoảng cách của vũ trụ, có thể được đo trong vũ trụ sơ khai bằng cách sử dụng nền vi sóng vũ trụ và trong vũ trụ muộn sử dụng siêu tân tinh làm nến tiêu chuẩn.

Hai phép đo này cho Kết quả không tương thích. Quan trọng nhất, bản chất của các thành phần chính của mô hình ΛCDM – năng lượng tối, vật chất tối và trường thúc đẩy lạm phát vũ trụ sơ khai (một khoảng thời gian rất ngắn của sự giãn nở cực kỳ nhanh chóng tạo ra các hạt thiên hà và các cụm thiên hà) – vẫn là một bí ẩn.

READ Ba thiên hà xé toạc nhau trong hình ảnh tuyệt đẹp của Kính viễn vọng Hubble mới này

Từ quan điểm quan sát, yếu tố hấp dẫn nhất điều khiển lực hấp dẫn biến đổi là gia tốc của vũ trụ được phát hiện vào năm 1998 với… Siêu tân tinh loại Ia, độ sáng của nó giảm dần do gia tốc này. Mô hình ΛCDM, dựa trên thuyết tương đối rộng, thừa nhận sự tồn tại của một năng lượng tối rất kỳ lạ với áp suất âm tràn ngập vũ trụ.

Siêu tân tinh loại Ia được phát hiện vào năm 1998, tiết lộ nhiều hơn về tốc độ tăng tốc của vũ trụ.

Siêu tân tinh loại Ia được phát hiện vào năm 1998, tiết lộ nhiều hơn về tốc độ tăng tốc của vũ trụ. (Nguồn hình ảnh: Khảo sát bầu trời kỹ thuật số Sloan/NASA)

Vấn đề là năng lượng tối này không có cơ sở vật lý nào để biện minh. Bản chất của nó không hoàn toàn được biết đến, mặc dù A Một số lượng lớn các mô hình Nó đã được đề xuất. Một giải pháp thay thế được đề xuất cho năng lượng tối là hằng số vũ trụ Λ mà theo cơ học lượng tử, Tính toán mặt sau (nhưng có vấn đề).Nó phải rất lớn.

Tuy nhiên, thay vào đó, Λ phải được điều chỉnh cực kỳ nhỏ để phù hợp với các quan sát vũ trụ. Nếu năng lượng tối tồn tại thì sự thiếu hiểu biết của chúng ta về bản chất của nó sẽ gây rắc rối sâu sắc.

Các lựa chọn thay thế cho lý thuyết của Einstein

Thay vào đó, liệu các vấn đề có thể nảy sinh từ một nỗ lực sai lầm nhằm khớp các quan sát vũ trụ với thuyết tương đối rộng, chẳng hạn như nhét ai đó vào một chiếc quần quá nhỏ? Rằng chúng ta quan sát thấy những sai lệch đầu tiên so với thuyết tương đối rộng khi năng lượng tối bí ẩn đơn giản là không tồn tại?

ý tưởng này, Được đề xuất lần đầu tiên Ý tưởng này, được thực hiện bởi các nhà nghiên cứu tại Đại học Naples, đã trở nên vô cùng phổ biến trong khi phe năng lượng tối cạnh tranh vẫn còn mạnh mẽ.

Làm thế nào chúng ta có thể nói? Những sai lệch so với lực hấp dẫn của Einstein là Bị giới hạn bởi các thí nghiệm của hệ mặt trờiVà những quan sát gần đây về sóng hấp dẫn và hình ảnh cận chân trời của các lỗ đen.

READ 'Sóng thần' phá kỷ lục về sóng hấp dẫn đã được phát hiện

Bây giờ có một Văn học vĩ đại Về các lý thuyết hấp dẫn thay thế cho thuyết tương đối rộng, bắt nguồn từ những nghiên cứu ban đầu của Eddington vào năm 1923. Một loại lý thuyết thay thế rất phổ biến là cái gọi là lực hấp dẫn vô hướng tensor. Về mặt khái niệm, nó rất đơn giản vì nó chỉ đưa vào một thành phần bổ sung (trường vô hướng tương ứng với hạt không quay đơn giản nhất) vào mô tả hình học của lực hấp dẫn của Einstein.

Nhưng hậu quả của chương trình này không hề nhỏ chút nào. Một hiện tượng nổi bật là “hiệu ứng tắc kè hoa”, bao gồm thực tế là các lý thuyết như vậy có thể giả dạng thuyết tương đối rộng trong môi trường mật độ cao (chẳng hạn như trong các ngôi sao hoặc trong hệ mặt trời) trong khi bị lệch mạnh khỏi nó trong môi trường mật độ thấp. . Vũ trụ học.

Kết quả là, trường (trọng lực) bổ sung hầu như không có trong loại hệ thống đầu tiên, đội lốt tắc kè hoa và chỉ có thể được cảm nhận ở quy mô (vũ trụ) lớn hơn.

tình hình hiện tại

Ngày nay, phạm vi các lựa chọn thay thế cho lực hấp dẫn của Einstein đã mở rộng đáng kể. Ngay cả việc thêm một kích thích vô hướng lớn (tức là một hạt có spin bằng 0) vào lực hấp dẫn của Einstein – và giữ cho các phương trình thu được “đơn giản” để tránh một số bất ổn định chết người đã biết – đã tạo ra một loại lực hấp dẫn rộng hơn nhiều. Lý thuyết của Horndeskyvà những khái quát hóa tiếp theo.

Các nhà lý thuyết đã dành cả thập kỷ qua để rút ra những hệ quả vật lý từ những lý thuyết này. Những khám phá gần đây về sóng hấp dẫn đã cung cấp một cách để thực hiện điều này Hạn chế sửa đổi lớp vật lý Einstein đã cho phép trọng lực.

Tuy nhiên, vẫn còn rất nhiều việc phải làm, với hy vọng rằng những phát triển trong tương lai về thiên văn học đa sứ giả sẽ dẫn đến việc khám phá những sửa đổi đối với thuyết tương đối rộng nơi lực hấp dẫn rất mạnh.

Bài viết này đã được xuất bản lại từ Cuộc hội thoại Theo giấy phép Creative Commons. Đọc Bài báo gốc.

Clara Rehbein

“Nhà phân tích. Con mọt sách thịt xông khói đáng yêu. Doanh nhân. Nhà văn tận tâm. Ninja rượu từng đoạt giải thưởng. Một độc giả quyến rũ một cách tinh tế.”

Tại sao Einstein phải sai: Đi tìm lý thuyết về lực hấp dẫn

Để lại một bình luận Hủy