Anomalia we Wszechświecie, która nie pasuje do teorii Einsteina

Ludzkie poznanie rzeczywistości cechuje pewien trend. Zaczynamy od niewielkiej skali, która pasuje do naszej percepcji, a potem rozszerzamy to rozumowanie. Z jednej strony w coraz to odleglejsze zakątki kosmosu, czyli w skali wszechświata, a także w coraz mniejsze odległości, czyli w świat kwantowy. Połączenie opisu tych dwóch światów to wyzwanie, które wciąż czeka na rozwiązanie.

Jednak nawet teoria, która wydaje się już wielokrotnie sprawdzona i potwierdzona, Ogólna Teoria Względności Einsteina (OTW), okazuje się być niedoskonała. Wskazują na to obserwacje wszechświata w największej skali, które dostarczył między innymi teleskop Planck. Z analizy tych danych (mikrofalowe promieniowanie tła), zdaniem zespołu astronomów z Uniwersytetu Waterloo oraz Uniwersytetu Brytyjskiej Kolumbii, wynika, że w bardzo dużej skali grawitacja, jaką opisują wzory Einsteina, jest za silna o około jeden procent. Przypominać może to wam inną modyfikację, z kolei praw Netwona, które przybiera formę MOND (Zmodyfikowana Dynamika Newtonowska), ale to jeszcze inny problem.

Tylko jeden procent. A robi tak dużą różnicę

Wydawałoby się, że jeden procent to granice błędu statystycznego. I taką możliwość bierze pod uwagę Robin Wen ze wspomnianego zespołu naukowców. Jednakże osłabienie grawitacji w takim stopniu pozwala na uzyskanie zbieżności teoretycznych modeli wczesnego wszechświata, które stworzono w zgodności z OTW, a faktycznych obserwacji jakich dostarcza Planck.

Wszechświat w mikrofalowym promieniowaniu tła. (fot: ESA/Planck)

Ten jeden procent pozwala także znacząco zmniejszyć rozbieżność pomiarów tempa rozszerzania się Wszechświata, które są określane na podstawie pomiarów promieniowania tła przez Plancka, czyli dla dalekiego kosmosu, a tymi wnioskowanymi dla naszego kosmicznego podwórka, gdzie za wskaźniki odległości bierze się gwiazdy zmienne typu Cefeida czy supernowe.

Obecnie ta rozbieżność jest spora, bo dane dla tła mikrofalowego dają 68 km * s-¹ * Mpc^-1, a wyniki uzyskane z obserwacji Cefeid przed teleskop Webba jako uściślenie danych Hubble'a 73 km * s^-1 * Mpc^-1. Mówiąc inaczej, bliski nam kosmos rozszerza się szybciej niż najodleglejsze jego obszary. Zmniejszenie siły grawitacji w skali miliardów lat świetlnych o jeden procent uzgadnia w znacznym stopniu te pomiary.

Obserwacje teleskopu Webb pozwoliły uściślić obserwacje z Hubble'a i wyeliminowały możliwość błędu w pomiarach odległości do Cefeid. (fot: Webb)

Czy Einstein się mylił, czy po prostu nie myślał wielkoskalowo?

Przeciętnemu człowiekowi trudno sobie nawet wyobrazić, jak lotny musiał być umysł Alberta Einsteina, by opisać rzeczywistość w sposób zawarty w Teorii Względności. Jednak nawet jeśli jego opis wszechświata nie pozwala wyjaśnić obserwacji w skali miliardów lat świetlnych, nie powinniśmy uważać jego rozumowania za błędne. Einstein przecież obmyślił Teorię Względności jeszcze zanim Edwin Hubble odkrył, czym tak naprawdę są te liczne małe mgiełki na niebie widoczne przez teleskopy.

STW, czyli Szczególna Teoria Względności, teoria czasoprzestrzeni i ruchu, powstała w 1905 roku, OTW, czyli Ogólna Teoria Względności, rozszerzenie prawa powszechnego ciążenia, doczekała się publikacji w 1915 roku. Już w 1919 roku dokonano pierwszego jej sprawdzianu podczas zaćmienia Słońca i zdała ona egzamin śpiewająco. Dopiero w 1923 Hubble odkrył pierwszą Cefeidę w Andromedzie, a w 1929 roku opublikowano pracę definiującą prawo Hubble’a (dziś znane jako prawo Hubble’a-Lemaître’a).

Być może, gdyby Einstein miał wiedzę taką, jaką dysponował pod koniec życia, spróbowałby opracować Ogólną Teorię Względności w sposób wykluczający dzisiejsze rozbieżności.

Einstein stworzył teorię, która doskonale tłumaczy zmienność orbity Merkurego, wiele aspektów istnienia czarnych dziur, fale grawitacyjne, a także jest stosowana w codziennych zastosowaniach, z których najważniejszym wydaje się technologia GNSS, czyli nawigacja satelitarna. Tu poprawki relatywistyczne są konieczne, a teoria Einsteina zapewnia prawidłowe ich oszacowanie.

Ogólna Teoria Względności stosowana jest na każdym etapie istnienia Wszechświata. (fot: NASA)

Nawet rozbieżność opisana powyżej, o ten jeden procent, nie zaprzecza bezwzględnie wyliczeniom Einsteina, a raczej pokazuje, że należy je zmodyfikować w dużej skali. Teoria Względności wskazuje kierunek w jakim powinni poruszać się teoretycy szukający jeszcze bardziej ogólnych formuł. Bo wzory na siłę powszechnego ciążenia, dla niewielkich odległości, da się wyliczyć z Ogólnej Teorii Względności. Nie próbowaliśmy jednakże testować tej teorii w skali całego Wszechświata, co jak zwraca uwagę Valerio Faraoni, profesor fizyki, pozwala uznać odkrytą rozbieżność za coś realnego.

Rozbieżności coraz więcej, ale…

Świadomość, że teoria Einsteina jest tylko jednym, szerszym niż teoria Newtona, opisem grawitacji, towarzyszy nam już od dłuższego czasu. Choćby powiązanie grawitacji w skali kwantowej i tej w świecie makroskopowym wymaga opracowania nowego aparatu matematycznego.

Dziś wiemy, że także postulowana ciemna energia, podobnie jak grawitacja, może zachowywać się inaczej na bardzo dużych odległościach. Jednakże jeśli mielibyśmy zastąpić teorię względności czymś nowym, musiałaby to być naprawdę przełomowa fizyka i matematyka, zgodna z tym, co w przypadku teorii Einsteina doskonale przystaje do rzeczywistości. Tak twierdzi Robin Wen i trudno się z nim nie zgodzić.

Źródło: sciencealert, inf. własna