นักวิทยาศาสตร์ทดสอบทฤษฎีแรงโน้มถ่วงของไอน์สไตน์ตามขนาดของจักรวาล - นี่คือสิ่งที่พวกเขาค้นพบ

ทุกสิ่งในจักรวาลมีแรงโน้มถ่วง และรู้สึกได้เช่นกัน แต่พลังพื้นฐานที่พบบ่อยที่สุดนี้ก็ยังเป็นพลังที่นำเสนอความท้าทายที่ยิ่งใหญ่ที่สุดสำหรับนักฟิสิกส์ด้วยทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปของอัลเบิร์ต ไอน์สไตน์ประสบความสำเร็จอย่างน่าทึ่งในการอธิบายแรงโน้มถ่วงของดวงดาวและดาวเคราะห์ แต่ดูเหมือนว่าจะไม่สามารถใช้ได้กับทุกขนาดอย่างสมบูรณ์แบบ

ทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปได้ผ่านการทดสอบเชิงสังเกตเป็นเวลาหลายปีการวัดของเอดดิงตันของการโก่งตัวของแสงดาวจากดวงอาทิตย์ในปี พ.ศ. 2462 สู่การตรวจจับคลื่นความโน้มถ่วงล่าสุด- อย่างไรก็ตาม ช่องว่างในความเข้าใจของเราเริ่มปรากฏขึ้นเมื่อเราพยายามนำไปใช้กับระยะทางที่น้อยมาก โดยที่กฎของกลศาสตร์ควอนตัมทำงานหรือเมื่อเราพยายามอธิบายจักรวาลทั้งหมด

การศึกษาใหม่ของเราตีพิมพ์ใน ดาราศาสตร์ธรรมชาติขณะนี้ได้ทดสอบทฤษฎีของไอน์สไตน์ในระดับที่ใหญ่ที่สุดแล้ว เราเชื่อว่าสักวันหนึ่งแนวทางของเราอาจช่วยไขปริศนาที่ยิ่งใหญ่ที่สุดในจักรวาลวิทยาได้ และผลลัพธ์ก็บอกเป็นนัยว่าทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปอาจจำเป็นต้องได้รับการปรับปรุงในระดับนี้

โมเดลผิดพลาด?

ทฤษฎีควอนตัมทำนายว่าพื้นที่ว่างหรือสุญญากาศนั้นเต็มไปด้วยพลังงาน เราไม่สังเกตเห็นการมีอยู่ของมันเนื่องจากอุปกรณ์ของเราสามารถวัดการเปลี่ยนแปลงของพลังงานเท่านั้นมากกว่าปริมาณทั้งหมด

อย่างไรก็ตาม ตามข้อมูลของไอน์สไตน์ พลังงานสุญญากาศมีแรงโน้มถ่วงที่น่ารังเกียจ โดยจะผลักพื้นที่ว่างออกจากกัน สิ่งที่น่าสนใจคือในปี 1998 มีการค้นพบว่าในความเป็นจริงแล้วการขยายตัวของเอกภพกำลังเพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็ว (การค้นพบนี้ได้รับรางวัลจากรางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์ประจำปี 2554- อย่างไรก็ตาม ปริมาณของพลังงานสุญญากาศหรือพลังงานมืดที่ถูกเรียกนั้น จำเป็นต่อการอธิบายความเร่งนั้นมีขนาดเล็กกว่าที่ทฤษฎีควอนตัมคาดการณ์ไว้มาก

ดังนั้นคำถามใหญ่ที่เรียกว่า “ปัญหาคงที่ทางจักรวาลวิทยาแบบเก่า” ก็คือพลังงานสุญญากาศมีแรงโน้มถ่วงจริงหรือไม่ โดยออกแรงแรงโน้มถ่วงและเปลี่ยนแปลงการขยายตัวของจักรวาล

ถ้าใช่ แล้วเหตุใดแรงโน้มถ่วงของมันจึงอ่อนกว่าที่คาดการณ์ไว้มาก ถ้าสุญญากาศไม่มีแรงโน้มถ่วงเลย อะไรเป็นสาเหตุของการเร่งความเร็วของจักรวาล?

เราไม่รู้ว่าพลังงานมืดคืออะไร แต่เราจำเป็นต้องคิดว่ามันมีอยู่จริงเพื่ออธิบายการขยายตัวของจักรวาล ในทำนองเดียวกัน เรายังต้องสมมติว่ามีสสารที่มองไม่เห็นอยู่ประเภทหนึ่งซึ่งเรียกว่าสสารมืด เพื่ออธิบายว่ากาแลคซีและกระจุกดาววิวัฒนาการมาเป็นอย่างที่เราสังเกตได้อย่างไรในปัจจุบัน

ข้อสันนิษฐานเหล่านี้รวมอยู่ในทฤษฎีจักรวาลวิทยามาตรฐานของนักวิทยาศาสตร์ ที่เรียกว่าแบบจำลองสสารมืดเย็นแลมบ์ดา (LCDM) ซึ่งบ่งชี้ว่าในจักรวาลมีพลังงานมืด 70% สสารมืด 25% และสสารธรรมดา 5% และแบบจำลองนี้ประสบความสำเร็จอย่างน่าทึ่งในการปรับข้อมูลทั้งหมดที่นักจักรวาลวิทยารวบรวมไว้ในช่วง 20 ปีที่ผ่านมา

แต่ความจริงที่ว่าจักรวาลส่วนใหญ่ประกอบด้วยพลังมืดและสสารต่างๆ ซึ่งใช้ค่าแปลก ๆ ที่ไม่สมเหตุสมผล ทำให้นักฟิสิกส์หลายคนสงสัยว่าทฤษฎีแรงโน้มถ่วงของไอน์สไตน์จำเป็นต้องปรับเปลี่ยนเพื่ออธิบายจักรวาลทั้งหมดหรือไม่

การหักมุมครั้งใหม่ปรากฏขึ้นเมื่อไม่กี่ปีก่อน เมื่อเห็นได้ชัดว่าวิธีการต่างๆ ในการวัดอัตราการขยายตัวของจักรวาล ที่เรียกว่าค่าคงที่ฮับเบิล ให้คำตอบที่แตกต่างกัน - ปัญหาที่เรียกว่าความตึงเครียดของฮับเบิล-

ความขัดแย้งหรือความตึงเครียดอยู่ระหว่างค่าสองค่าของค่าคงที่ฮับเบิล หนึ่งคือตัวเลขที่ทำนายโดยแบบจำลองจักรวาลวิทยา LCDM ซึ่งได้รับการพัฒนาให้ตรงกันแสงที่เหลือจากบิ๊กแบง(รังสีไมโครเวฟพื้นหลังคอสมิก) อีกประการหนึ่งคืออัตราการขยายตัวที่วัดโดยการสังเกตดาวระเบิดที่เรียกว่าซูเปอร์โนวาในกาแลคซีห่างไกล

มีการเสนอแนวคิดทางทฤษฎีมากมายสำหรับวิธีแก้ไข LCDM เพื่ออธิบายความตึงเครียดของฮับเบิล หนึ่งในนั้นคือทฤษฎีแรงโน้มถ่วงทางเลือก

กำลังขุดหาคำตอบ

เราสามารถออกแบบการทดสอบเพื่อตรวจสอบว่าจักรวาลเป็นไปตามกฎของทฤษฎีของไอน์สไตน์หรือไม่ ทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปอธิบายแรงโน้มถ่วงเป็นการโค้งหรือการบิดเบี้ยวของอวกาศและเวลา ทำให้เส้นทางที่แสงและสสารเคลื่อนที่ไปในทางโค้งงอ ที่สำคัญทำนายว่าวิถีของรังสีแสงและสสารควรโค้งงอด้วยแรงโน้มถ่วงในลักษณะเดียวกัน

เราร่วมมือกับทีมนักจักรวาลวิทยาเพื่อทดสอบกฎพื้นฐานของทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไป นอกจากนี้เรายังสำรวจด้วยว่าการปรับเปลี่ยนทฤษฎีของไอน์สไตน์สามารถช่วยแก้ไขปัญหาเปิดบางประการของจักรวาลวิทยา เช่น ความตึงเครียดของฮับเบิลได้หรือไม่

เพื่อค้นหาว่าทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปถูกต้องในสเกลขนาดใหญ่หรือไม่ เราจึงได้เริ่มทำการสำรวจสามแง่มุมไปพร้อมๆ กัน สิ่งเหล่านี้คือการขยายตัวของจักรวาล ผลกระทบของแรงโน้มถ่วงต่อแสง และผลกระทบของแรงโน้มถ่วงต่อสสาร

ด้วยการใช้วิธีการทางสถิติที่เรียกว่าการอนุมานแบบเบย์ เราได้สร้างแรงโน้มถ่วงของจักรวาลขึ้นมาใหม่ผ่านประวัติศาสตร์จักรวาลในแบบจำลองคอมพิวเตอร์โดยใช้พารามิเตอร์ทั้งสามนี้ เราสามารถประมาณค่าพารามิเตอร์ได้โดยใช้ข้อมูลพื้นหลังไมโครเวฟคอสมิกจากดาวเทียมพลังค์ แค็ตตาล็อกซูเปอร์โนวา รวมถึงการสังเกตรูปร่างและการกระจายตัวของกาแลคซีห่างไกลโดยสสสและของกล้องโทรทรรศน์ จากนั้นเราเปรียบเทียบการสร้างใหม่ของเรากับการทำนายแบบจำลอง LCDM (โดยพื้นฐานแล้วคือแบบจำลองของไอน์สไตน์)

เราพบคำแนะนำที่น่าสนใจเกี่ยวกับความไม่ตรงกันที่อาจเกิดขึ้นกับการคาดการณ์ของไอน์สไตน์ แม้ว่าจะมีนัยสำคัญทางสถิติค่อนข้างต่ำก็ตาม ซึ่งหมายความว่ายังมีความเป็นไปได้ที่แรงโน้มถ่วงจะทำงานแตกต่างออกไปในสเกลขนาดใหญ่ และอาจจำเป็นต้องปรับเปลี่ยนทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไป

การศึกษาของเรายังพบว่าเป็นเรื่องยากมากที่จะแก้ปัญหาความตึงเครียดของฮับเบิลโดยการเปลี่ยนทฤษฎีแรงโน้มถ่วงเท่านั้น การแก้ปัญหาแบบสมบูรณ์อาจต้องใช้ส่วนผสมใหม่ในแบบจำลองจักรวาลวิทยา ซึ่งมีอยู่ก่อนเวลาที่โปรตอนและอิเล็กตรอนรวมตัวกันเพื่อสร้างไฮโดรเจนหลังบิกแบง เช่น สสารมืดรูปแบบพิเศษ พลังงานมืดชนิดแรกเริ่ม หรือปฐมภูมิ สนามแม่เหล็ก หรือบางทีอาจมีข้อผิดพลาดที่เป็นระบบที่ไม่ทราบสาเหตุในข้อมูล

อย่างไรก็ตาม การศึกษาของเราแสดงให้เห็นว่ามีความเป็นไปได้ที่จะทดสอบความถูกต้องของทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปเหนือระยะทางจักรวาลวิทยาโดยใช้ข้อมูลเชิงสังเกต แม้ว่าเราจะยังไม่ได้แก้ไขปัญหาฮับเบิล แต่เราจะมีข้อมูลจำนวนมากจากการสอบสวนใหม่ในอีกไม่กี่ปีข้างหน้า

ซึ่งหมายความว่าเราจะสามารถใช้วิธีการทางสถิติเหล่านี้เพื่อปรับแต่งทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปต่อไป สำรวจขอบเขตของการปรับเปลี่ยน เพื่อปูทางไปสู่การแก้ไขปัญหาท้าทายที่เปิดกว้างบางประการในจักรวาลวิทยา

คาซึยะ โคยามะ, ศาสตราจารย์วิชาจักรวาลวิทยา,มหาวิทยาลัยพอร์ทสมัธและเลวอน โปโกเซียน, ศาสตราจารย์วิชาฟิสิกส์,มหาวิทยาลัยไซมอน เฟรเซอร์

บทความนี้เผยแพร่ซ้ำจากการสนทนาภายใต้ใบอนุญาตครีเอทีฟคอมมอนส์ อ่านบทความต้นฉบับ-