Non si può negare l’enorme potere predittivo della teoria della gravitazione e della relatività generale di Albert Einstein del 1915, tuttavia, la teoria soffre ancora di incoerenze quando si tratta di calcolare il suo effetto su grandi distanze. Una nuova ricerca suggerisce che queste discrepanze potrebbero essere il risultato di uno “squilibrio cosmico” nella gravità stessa.
Nei 109 anni trascorsi dalla sua prima formulazione, la relatività generale è rimasta la migliore descrizione della gravità su scala galattica; Gli esperimenti hanno ripetutamente confermato la sua accuratezza. Questa teoria è stata utilizzata anche per prevedere aspetti dell’universo che sarebbero stati successivamente confermati dall’osservazione. Questi includono il Big Bang, l’esistenza dei buchi neri, la lente gravitazionale della luce e minuscole increspature nello spaziotempo chiamate onde gravitazionali.
Tuttavia, come la teoria della gravità newtoniana che l’ha superata, la relatività generale potrebbe non darci il quadro completo di questa forza misteriosa.
“Questo modello di gravità è stato essenziale per tutto, dalla teoria del Big Bang all’imaging dei buchi neri”, ha detto in una nota Robin Wen del Dipartimento di Fisica Matematica dell’Università di Waterloo. “Ma quando cerchiamo di comprendere la gravità a livello cosmico, a livello degli ammassi di galassie e oltre, incontriamo chiare contraddizioni con le previsioni della relatività generale”.
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“La gravità diventa più debole di circa l’1% quando si tratta di distanze di miliardi di anni luce”, ha detto Wen. “Chiamiamo questa discrepanza un ‘problema tecnico cosmico’. È come se la gravità stessa avesse completamente smesso di corrispondere alla teoria di Einstein”.
La perturbazione cosmica descritta dal team richiederebbe un cambiamento in un valore chiamato costante gravitazionale. Questo cambiamento avverrà quando i calcoli si avvicineranno all’“iperorizzonte”, ovvero alla distanza più lontana che la luce è stata in grado di percorrere dall’inizio dell’universo.
Il team afferma che questa modifica può essere apportata aggiungendo un’estensione al modello cosmologico standard. Questo modello è noto come modello lambda della materia oscura fredda. Una volta completata, la modifica dovrebbe eliminare le discrepanze nelle misurazioni a livello cosmologico senza influenzare gli attuali usi di successo della relatività generale.
Cos’è la relatività generale e può essere sbagliata?
La scoperta della relatività generale fu così rivoluzionaria, perché invece di descrivere la gravità come una forza misteriosa, postulò che la gravità nasce dalla curvatura del tessuto dello spazio e del tempo, uniti come un’unica entità chiamata “spazio-tempo”. Einstein si rese conto che questa curvatura è formata da oggetti dotati di massa.
Immagina di posizionare palline di massa crescente su un foglio di gomma teso. Una pallina da tennis farebbe una piccola ammaccatura quasi impercettibile; Una palla da cricket creerebbe un’ammaccatura più evidente; La palla da bowling indurrebbe un’enorme curva che probabilmente attirerebbe verso di sé tutto il resto sul foglio. È lo stesso concetto con gli oggetti nello spazio, sebbene la curvatura dello spaziotempo esista in quattro dimensioni, quindi ci sono alcune differenze fondamentali. Tuttavia, le lune hanno meno massa dei pianeti, i pianeti hanno meno massa delle stelle e le stelle hanno meno massa delle galassie, quindi gli effetti gravitazionali di questi corpi celesti aumentano rispettivamente.
La teoria della gravitazione di Einstein servì da successore di quella di Newton, anche se quest’ultima funziona ancora bene su scala terrestre ed è abbastanza precisa da lanciare razzi sulla Luna. Tuttavia, la teoria di Einstein potrebbe spiegare cose che la teoria di Newton non poteva, come la strana orbita di Mercurio attorno al Sole.
Non era esattamente Newton errore Per quanto riguarda la gravità, non aveva ragione riguardo alle scale dei pianeti, delle stelle e delle galassie.
Ma la relatività generale è sbagliata?
Beh, forse no. Come teoria, era molto accurata nel prevedere aspetti dell’universo di cui non sapevamo nulla. Ad esempio, la prima immagine di un buco nero scattata dall’Event Horizon Telescope è stata rivelata al pubblico nell’aprile 2019. Questa immagine è stata alquanto scioccante a causa di quanto simile fosse l’aspetto del buco nero supermassiccio M87* alle previsioni della relatività generale.
Tuttavia, gli scienziati si rendono conto che ci sono alcuni problemi con la relatività generale che potrebbero eventualmente richiedere una revisione. Ad esempio, la teoria non si combina con la meccanica quantistica; La nostra migliore descrizione della fisica è, a livelli fondamentali, più piccola dell’atomo. Ciò è dovuto principalmente al fatto che attualmente non esiste una teoria quantistica per descrivere la gravità.
Quindi, ad un certo punto, modifiche alla relatività generale al fine di “estendere” la sua portata alle scale più piccole dell’universo – e secondo questo team, alle scale più grandi – sembrano inevitabili.
Per decenni, i ricercatori hanno cercato di creare un modello matematico che aiutasse la relatività generale a superare le sue contraddizioni, e i matematici applicati e gli astrofisici dell’Università di Waterloo sono stati profondamente coinvolti in questo sforzo.
Cambiare la relatività generale? Che cosa!
Se l’idea di rivedere la relatività generale suona come un’eresia, si consideri che questa non sarebbe la prima volta che le teorie ad essa associate dovranno essere modificate.
Poco dopo aver presentato per la prima volta la teoria, Einstein e altri la ampliarono per sviluppare un’equazione per descrivere lo stato dell’universo. Come risultato della relatività generale, questa equazione prevedeva che l’universo dovesse cambiare. Il problema era il consenso scientifico dell’epoca secondo cui l’universo era statico. Anche se Einstein non era estraneo alla trasformazione dello status quo in uno stato di cambiamento costante, era d’accordo con questo quadro cosmico immutabile.
Per garantire la previsione della relatività generale di un universo statico, Einstein aggiunse un “fattore di correzione” che in seguito descrisse come “il suo più grande errore”: questo è noto come costante cosmologica, rappresentata dalla lettera greca lambda. La costante sarebbe stata rimossa dal pensiero quando Edwin Hubble convinse Einstein che l’universo non era statico. Ha detto che si sta espandendo. Per quanto ne sappiamo oggi, Hubble aveva effettivamente ragione.
Tuttavia, la lambda tornerà effettivamente. Inizierà a svolgere una funzione diversa alla fine del XX secolo, quando gli astronomi scopriranno che l’universo non solo si sta espandendo, ma che lo sta facendo a un ritmo accelerato.
“Quasi un secolo fa, gli astronomi scoprirono che il nostro universo si stava espandendo”, ha detto nella dichiarazione Niayesh Afsharid, professore di astrofisica all’Università di Waterloo e ricercatore presso l’Ocean Institute. “Più le galassie sono lontane, più velocemente si muovono, fino al punto in cui sembrano muoversi quasi alla velocità della luce, il massimo consentito dalla teoria di Einstein. I nostri risultati suggeriscono che, su quelle stesse scale, anche la teoria di Einstein può farlo non basta.”
La proposta del team dell’Università di Waterloo di un “problema cosmico” che modula la gravità su grandi distanze estende le formule matematiche di Einstein per affrontare questo problema senza “rovesciare” la teoria.
“Consideratela come una nota a piè di pagina della teoria di Einstein”, ha detto Wen. “Una volta raggiunto il Regno Cosmico, si applicano termini e condizioni.”
I ricercatori dietro questa teoria del glitch cosmico suggeriscono che le future osservazioni della struttura su larga scala dell’universo e di un campo di radiazione “fossile” globale chiamato fondo cosmico a microonde (CMB) da un evento avvenuto poco dopo il Big Bang potrebbero far luce sulla questione se i problemi cosmici in Gravità siano responsabili delle attuali “tensioni cosmiche”.
Ciò potrebbe includere il motivo per cui la teoria quantistica fornisce il valore di lambda che è un fattore sorprendente di 10¹²¹ (10 seguito da 120 zeri) che è più grande di quanto mostrano le osservazioni astronomiche (non c’è da stupirsi che alcuni fisici la definiscano “la peggiore previsione teorica nella storia dell’universo”). “). Fisica!”).
“Questo nuovo modello potrebbe essere solo la prima prova del puzzle cosmico che stiamo iniziando a svelare attraverso lo spazio e il tempo”, ha concluso Afshordi.
La ricerca del team appare in Giornale di cosmologia e fisica delle astroparticelle.
