NEŠTO nije kako treba s Einsteinovom teorijom gravitacije, barem na jako velikim razmjerima, tako da se čini da će je trebati korigirati, tvrdi tim znanstvenika u novoj studiji objavljenoj u časopisu Nature Astronomy.

Četiri fundamentalne sile prirode

Gravitacija je jedna od četiri fundamentalne sile uz slabu, jaku i elektromagnetsku.

Gravitacijska sila koja je dugosežna djeluje na svu materiju, no na atomskoj razini, ona je vrlo slaba. Što je objekt masivniji, to je gravitacijska sila veća, a njezini učinci mogu se jasno vidjeti u kozmičkim razmjerima u međudjelovanju nebeskih tijela.

Elektromagnetska sila je sila velikog dometa koja je rezultat interakcija između nabijenih čestica. Elektromagnetizam dobro opisuje ponašanje nabijenih čestica, kemijske reakcije koje se temelje na razmjenama elektrona među atomima i prirodu svjetlosti, odnosno elektromagnetskih valova.

Jaka sila djeluje samo na iznimno kratkim udaljenostima, ali je toliko snažna da je u stanju nadvladati odbijanje među pozitivno nabijenim protonima i održati jezgre atoma na okupu.

Slaba sila odgovorna je za raspad čestica, odnosno za prelazak jednih čestica u druge. Ona sudjeluje u nuklearnoj fisiji i fuziji.

Teorija relativnosti je jedna od najpotvrđenijih znanstvenih teorija

Znanstvene teorije onoliko su dobre koliko se njihova predviđanja podudaraju s rezultatima eksperimenata koji ih istražuju u stvarnom svijetu. Ako se predviđanja potvrđuju, teorija preživljava provjeru. Ako se otkriju problemi, teorija se mora modificirati ili zamijeniti nekom novom koja bolje tumači stvarnost.

Einsteinova opća teorija relativnosti, koja se bavi gravitacijom, jedna je od najuspješnijih teorija u fizici i znanosti generalno, uz kvantnu mehaniku, standardni model čestica i teoriju evolucije, da nabrojimo samo neke. Brojna predviđanja koja proizlaze iz nje potvrđena su u cijelom nizu eksperimenata od Eddingtonovog 1919. do LIGO-ovog 2015.

Eddingtonov eksperiment proveden je tijekom pomrčine Sunca koja je omogućila promatranje položaja zvijezda u dijelu neba u kojem se nalazilo Sunce jer je njegov sjaj za kratko bio zaklonjen. To opažanje potvrdilo je da masa iskrivljuje prostor-vrijeme kako to predviđa opća teorija relativnosti. Naime, utvrđeno je da se zvijezde nisu nalazile točno na onim položajima na kojima bi bile da se blizu putanje njihovih zraka do Zemlje nije nalazilo Sunce, što je potvrdilo da je ono svojom masom iskrivilo prostor-vrijeme, a time i putanje zraka svjetlosti (ilustracija iz 1919. dolje).

Eksperiment LIGO 2015. je izravno potvrdio da doista postoje gravitacijski valovi koje je opća teorija relativnosti također predvidjela. Čak ni sam Einstein nije vjerovao da će ikada biti moguće provesti dovoljno precizan eksperiment koji će moći detektirati gravitacijske valove zbog toga što je teorija predviđala da će njihove dimenzije biti minijaturne.

Od 1919. do 2015. proveden je još cijeli niz drugih eksperimenata koji su potvrdili brojna druga predviđanja teorije relativnosti.

Pokazalo se da opća teorija relativnosti odlično opisuje makrosvemir, fenomene vezane uz velike mase na velikim udaljenostima. No znanstvenici su već duže vrijeme svjesni problema koji se počinju javljati ​​kada je pokušamo primijeniti na izuzetno malim udaljenostima, primjerice u središtima crnih rupa ili u velikom prasku, gdje djeluju zakoni kvantne mehanike, ili na izuzetno velikim skalama kada njome pokušamo opisati cijeli svemir.

"Naša nova studija, objavljena u časopisu Nature Astronomy, sada je testirala Einsteinovu teoriju na najvećim razmjerima", napisali su za Conversation glavni autori rada Kazuya Koyama i Levon Pogosian.

"Vjerujemo da bi naš pristup jednog dana mogao pomoći u rješavanju nekih od najvećih misterija u kozmologiji, a rezultati upućuju na to da bi teoriju opće relativnosti na tim velikim razmjerima možda trebalo prilagoditi", dodali su.

Je li model netočan?

Kvantna teorija predviđa da prazan prostor, vakuum, zapravo nije potpuno prazan, već je pun energije. On sadrži kratkoživuće elementarne čestice koje iskaču u kvantnom polju i brzo se međusobno poništavaju. Postojanje energije vakuuma potvrđeno je tzv. Casimirovim efektom - efektom zbog kojeg se dvije paralelne ploče u vakuumu privlače silom koja je veća nego što bi se očekivalo da je na djelu samo gravitacija. To privlačenje posljedica je činjenice da na ploče izvana djeluju jače sile nego iznutra jer je prostor između ploča mnogo ograničeniji nego prostor izvana pa dozvoljava pojavu mnogo ograničenijeg niza fluktuacija vakuuma. Rezultat je da su vanjske sile koje guraju ploče jednu prema drugoj veće od onih među pločama koje ih drže na distanci (ilustracija dolje).

Međutim, prema teoriji, energija vakuuma ima negativnu gravitaciju – ona gura, odnosno širi prazan prostor.

Početkom 20. stoljeća prevladavajuće znanstveno mišljenje bilo je da je svemir statičan, da se ne širi niti se skuplja, pa je Einstein u svoje jednadžbe uveo matematički faktor, poznat kao kozmološka konstanta ili lambda (Λ). To je impliciralo postojanje odbojne sile koja prožima prostor i suprotstavlja se gravitacijskom privlačenju koje drži materiju na okupu. Einstein je kasnije, kada je otkriveno da se svemir širi, uvođenje ove konstante nazvao svojom najvećom zabludom.

No, zanimljivo je da je 1998. godine otkriveno da se širenje svemira zapravo ubrzava, za što je 2011. dodijeljena Nobelova nagrada za fiziku. Time je Einsteinova kozmološka konstanta ponovno postala aktualna – postala je glavni kandidat za tamnu energiju koja uzrokuje ubrzano širenje svemira.

Međutim, pokazalo se da je količina energije vakuuma, koja se poistovjećuje s tamnom energijom, potrebna za zabilježeno ubrzavanje širenja svemira za 60-ak redova veličine manja od one koju predviđa kvantna teorija.

Iz te razlike proizašlo je veliko pitanje, nazvano "stari problem kozmološke konstante": Utječe li energija vakuuma gravitacijskom silom na širenje svemira? Ako da, zašto je onda njegova gravitacija toliko slabija od one predviđene teorijom? Ako vakuum uopće ne djeluje gravitacijski, što uzrokuje ubrzavanje širenja svemira?

Autori rada ističu da još uvijek ne znamo što je tamna energija, no da ipak moramo pretpostaviti da postoji kako bismo objasnili širenje svemira. Slično tome, moramo pretpostaviti da postoji vrsta nevidljive materije, nazvane tamna tvar, koja je potrebna da bi se objasnilo kako su galaksije i jata zvijezda evoluirali onakvima kakvima ih danas vidimo. Drugim riječima, potrebno je pretpostaviti postojanje tamne tvari jer u svemiru ne nalazimo dovoljno vidljive tvari da bismo na temelju njihova gravitacijskog privlačenja objasnili zašto se galaksije ili nakupine zvijezda tijekom rotacije ne razlete po svemiru.

Ove pretpostavke ugrađene su u standardnu ​​kozmološku teoriju, nazvanu model lambda hladne tamne tvari (LCDM), koja sugerira da u svemiru postoji oko 70% tamne energije, oko 25% tamne tvari i oko 5% obične, vidljive materije.

Ovaj model bio je izuzetno uspješan u uklapanju svih podataka koje su kozmolozi prikupili u proteklih 20 godina.

No činjenica da se većina svemira sastoji od nerazjašnjenih tamnih sila i tvari, koje poprimaju čudne vrijednosti koje nemaju smisla, potaknula je mnoge fizičare da se zapitaju treba li Einsteinovoj teoriji gravitacije modifikacija kako bi se opisao cijeli svemir.

Novi obrat u tom smislu dogodio se prije nekoliko godina kada je postalo očito da različiti načini mjerenja brzine kozmičkog širenja, nazvanog Hubbleova konstanta (po Edwinu Hubbleu koji je prvi otkrio da se svemir širi), daju različite odgovore, što je problem koji je postao poznat kao Hubbleova tenzija, odnosno napetost. U tom problemu postoji neslaganje, odnosno napetost između dvije različite vrijednosti Hubbleove konstante. Jedna je predviđena kozmološkim modelom LCDM, koji je razvijen tako da odgovara kozmičkom mikrovalnom pozadinskom zračenju, svojevrsnoj jeki, odnosno svjetlu preostalom od velikog praska. Druga je vrijednost brzina širenja svemira izmjerena na temelju promatranja udaljavanja eksplozivnih zvijezda supernova u dalekim galaksijama koje služe kao standardne svijeće za mjerenje udaljenosti.

Naime, supernove tipa 1a, budući da nastaju u eksplozijama bijelih patuljaka koji imaju fiksnu kritičnu masu pri kojoj će eksplodirati, stvaraju prilično dosljedan maksimalan sjaj koji omogućuje da se koriste kao standardne svijeće za mjerenje udaljenosti galaksija od Zemlje – ako znamo koliki bi sjaj supernove trebao biti, po njegovom smanjenju možemo zaključiti koliko je udaljena od nas. To pak omogućuje mjerenje širenja svemira i njegovog ubrzavanja.

Fizičari su predložili brojne teorijske ideje za modificiranje modela LCDM koje bi mogle objasniti Hubbleovu napetost, među kojima i alternativne teorije gravitacije, no neko konačno razrješenje još se uvijek traži.

Potraga za odgovorima

Autori u svojem radu tvrde da je moguće osmisliti testove kojima se može provjeravati poštuje li svemir pravila Einsteinove teorije. Kako smo već naveli, opća relativnost opisuje gravitaciju kao zakrivljavanje prostora i vremena koje uzrokuje masa. Tim zakrivljavanjem savijaju se putanje duž kojih putuju svjetlost i materija. Opća relativnost predviđa da bi putanje svjetlosnih zraka i materije trebale biti savijene gravitacijom na isti način.

Autori su u novom istraživanju testirali osnovne zakone opće relativnosti te istražili može li modificiranje Einsteinove teorije pomoći u rješavanju nekih otvorenih problema kozmologije, poput Hubbleove napetosti.

Kako bi saznali je li opća relativnost točna na velikim razmjerima, prvi put su krenuli u istovremeno istraživanje tri njezina aspekta - širenje svemira, djelovanje gravitacije na svjetlost i djelovanje gravitacije na materiju.

Koristeći statističku metodu poznatu kao Bayesov teorem, u računalnom modelu rekonstruirali su gravitaciju svemira kroz kozmičku povijest na temelju navedena tri parametra. Koristeći podatke o kozmičkom mikrovalnom pozadinskom zračenju koje je prikupio satelit Planck (slika dolje) te podataka kataloga supernova kao i opažanja oblika i distribucije dalekih galaksija napravljena teleskopima SDSS i DES procijenili su navedene parametre. Potom su svoju rekonstrukciju usporedili s predviđanjem modela LCDM, koji je u biti Einsteinov model.

Na taj način pronašli su zanimljive naznake mogućeg neslaganja s Einsteinovim predviđanjem, iako s prilično niskim statističkim značajem. Prema tumačenju autora, to znači da postoji mogućnost da gravitacija djeluje drugačije na velikim razmjerima i da će teoriju opće relativnosti možda trebati doraditi.

"Naša studija također je otkrila da je vrlo teško riješiti Hubbleov problem napetosti samo promjenom teorije gravitacije. Potpuno rješenje vjerojatno bi također zahtijevalo neki novi sastojak u kozmološkom modelu, koji je bio prisutan prije vremena kada su se protoni i elektroni prvi put spojili u vodik neposredno nakon velikog praska, poput posebnog oblika tamne tvari, rane vrste tamne energije ili nekih primordijalnih magnetskih polja. Ili možda postoji još nepoznata sustavna pogreška u podacima. S tim u vezi, naša studija je pokazala da je moguće testirati valjanost opće relativnosti na kozmološkim udaljenostima pomoću opažačkih podataka. Iako još nismo riješili problem Hubbleove tenzije, za nekoliko godina imat ćemo puno više podataka iz novih sondi. To znači da ćemo moći koristiti ove statističke metode za nastavak prilagođavanja opće relativnosti i istraživanje granica modifikacija, kako bismo otvorili put rješavanju nekih otvorenih izazova u kozmologiji", zaključuju autori.