Có gì đó không ổn với thuyết hấp dẫn của Einstein

Mọi thứ trong vũ trụ đều có lực hấp dẫn – và bạn cũng cảm nhận được điều đó. Tuy nhiên, lực phổ biến nhất trong tất cả các lực cơ bản này cũng là lực đưa ra những thách thức lớn nhất đối với các nhà vật lý. Thuyết tương đối rộng của Albert Einstein đã rất thành công trong việc mô tả lực hấp dẫn của các ngôi sao và hành tinh, nhưng nó dường như không áp dụng hoàn hảo trên mọi quy mô.

Thuyết tương đối rộng đã vượt qua nhiều năm thử nghiệm quan sát, từ phép đo của Eddington (mở trong tab mới) về sự lệch hướng của ánh sáng sao bởi Mặt trời vào năm 1919 đối với phát hiện gần đây về sóng hấp dẫn (mở trong tab mới). Tuy nhiên, những lỗ hổng trong hiểu biết của chúng ta bắt đầu xuất hiện khi chúng ta cố gắng áp dụng nó vào những khoảng cách cực nhỏ, nơi mà các định luật của cơ học lượng tử vận ​​hành (mở trong tab mới)hoặc khi chúng ta cố gắng mô tả toàn bộ vũ trụ.

Nghiên cứu mới của chúng tôi, được công bố trên tạp chí Nature Astronomy (mở trong tab mới), hiện đã thử nghiệm lý thuyết của Einstein trên quy mô lớn nhất. Chúng tôi tin rằng phương pháp của chúng tôi một ngày nào đó có thể giúp giải quyết một số bí ẩn lớn nhất trong vũ trụ học và kết quả gợi ý rằng thuyết tương đối rộng có thể cần phải được điều chỉnh ở quy mô này.

Mô hình bị lỗi?

Thuyết lượng tử dự đoán rằng không gian trống rỗng, chân không, chứa đầy năng lượng. Chúng tôi không nhận thấy sự hiện diện của nó vì các thiết bị của chúng tôi chỉ có thể đo lường những thay đổi về năng lượng chứ không phải tổng lượng của nó.

Tuy nhiên, theo Einstein, năng lượng chân không có lực hấp dẫn đẩy – nó đẩy không gian trống ra xa nhau. Điều thú vị là vào năm 1998, người ta đã phát hiện ra rằng sự giãn nở của vũ trụ trên thực tế đang tăng tốc (một phát hiện được trao giải thưởng giải nobel vật lý 2011 (mở trong tab mới)). Tuy nhiên, lượng năng lượng chân không, hay năng lượng tối như nó được gọi, cần thiết để giải thích gia tốc nhỏ hơn nhiều bậc độ lớn so với những gì thuyết lượng tử dự đoán.

Do đó, câu hỏi lớn, được mệnh danh là “vấn đề hằng số vũ trụ cũ”, là liệu năng lượng chân không có thực sự hấp dẫn – tác dụng lực hấp dẫn và thay đổi sự giãn nở của vũ trụ hay không.

Nếu có, thì tại sao lực hấp dẫn của nó yếu hơn nhiều so với dự đoán? Nếu chân không hoàn toàn không hấp dẫn, thì điều gì gây ra gia tốc vũ trụ?

Chúng ta không biết năng lượng tối là gì, nhưng chúng ta cần giả sử nó tồn tại để giải thích sự giãn nở của vũ trụ. Tương tự như vậy, chúng ta cũng cần giả định rằng có một loại sự hiện diện của vật chất vô hình, được gọi là vật chất tối, để giải thích cách các thiên hà và cụm thiên hà phát triển theo cách chúng ta quan sát chúng ngày nay.

Những giả định này được đưa vào lý thuyết vũ trụ tiêu chuẩn của các nhà khoa học, được gọi là mô hình vật chất tối lạnh (LCDM) lambda – cho thấy có 70% năng lượng tối, 25% vật chất tối và 5% vật chất thông thường trong vũ trụ. Và mô hình này đã thành công đáng kể trong việc phù hợp với tất cả các dữ liệu được thu thập bởi các nhà vũ trụ học trong 20 năm qua.

Nhưng thực tế là phần lớn vũ trụ được tạo thành từ các lực và chất tối, lấy những giá trị kỳ lạ không có ý nghĩa, đã khiến nhiều nhà vật lý tự hỏi liệu thuyết hấp dẫn của Einstein có cần sửa đổi để mô tả toàn bộ vũ trụ hay không.

Một bước ngoặt mới đã xuất hiện cách đây vài năm khi rõ ràng là các cách khác nhau để đo tốc độ giãn nở của vũ trụ, được gọi là hằng số Hubble, đưa ra các câu trả lời khác nhau – một vấn đề được gọi là sự căng thẳng của Hubble (mở trong tab mới).

Sự bất đồng, hay căng thẳng, nằm giữa hai giá trị của hằng số Hubble. Một là con số được dự đoán bởi mô hình vũ trụ LCDM, được phát triển để phù hợp với ánh sáng còn sót lại từ vụ nổ Big Bang (mở trong tab mới) (bức xạ nền vi sóng vũ trụ). Cái còn lại là tốc độ mở rộng được đo bằng cách quan sát các ngôi sao đang phát nổ được gọi là siêu tân tinh trong các thiên hà xa xôi.

Nhiều ý tưởng lý thuyết đã được đề xuất về cách sửa đổi LCDM để giải thích lực căng của Hubble. Trong số đó có các lý thuyết trọng lực thay thế.

Đào tìm câu trả lời

Chúng ta có thể thiết kế các bài kiểm tra để kiểm tra xem vũ trụ có tuân theo các quy tắc của lý thuyết Einstein hay không. Thuyết tương đối rộng mô tả lực hấp dẫn là sự uốn cong hoặc cong vênh của không gian và thời gian, uốn cong các đường mà ánh sáng và vật chất di chuyển dọc theo đó. Điều quan trọng là nó dự đoán rằng quỹ đạo của các tia sáng và vật chất sẽ bị lực hấp dẫn bẻ cong theo cùng một cách.

Cùng với một nhóm các nhà vũ trụ học, chúng tôi đưa các định luật cơ bản của thuyết tương đối rộng vào thử nghiệm. Chúng tôi cũng khám phá xem liệu việc sửa đổi lý thuyết của Einstein có thể giúp giải quyết một số vấn đề mở của vũ trụ học hay không, chẳng hạn như lực căng Hubble.

Để tìm hiểu xem thuyết tương đối rộng có đúng trên quy mô lớn hay không, lần đầu tiên, chúng tôi bắt đầu điều tra đồng thời ba khía cạnh của nó. Đó là sự giãn nở của vũ trụ, tác động của lực hấp dẫn lên ánh sáng và tác động của lực hấp dẫn lên vật chất.

Sử dụng một phương pháp thống kê được gọi là suy luận Bayes, chúng tôi đã tái tạo lại lực hấp dẫn của vũ trụ thông qua lịch sử vũ trụ trong một mô hình máy tính dựa trên ba tham số này. Chúng ta có thể ước tính các tham số bằng cách sử dụng dữ liệu nền vi sóng vũ trụ từ vệ tinh Planck, danh mục siêu tân tinh cũng như các quan sát về hình dạng và sự phân bố của các thiên hà xa xôi bởi SDSS (mở trong tab mới) và DES (mở trong tab mới) kính thiên văn. Sau đó, chúng tôi so sánh sự tái tạo của mình với dự đoán của mô hình LCDM (về cơ bản là mô hình của Einstein).

Chúng tôi đã tìm thấy những gợi ý thú vị về sự không phù hợp có thể xảy ra với dự đoán của Einstein, mặc dù có ý nghĩa thống kê khá thấp. Điều này có nghĩa là vẫn có khả năng lực hấp dẫn hoạt động khác đi trên quy mô lớn và thuyết tương đối rộng có thể cần phải được điều chỉnh.

Nghiên cứu của chúng tôi cũng phát hiện ra rằng rất khó giải quyết vấn đề lực căng Hubble chỉ bằng cách thay đổi lý thuyết hấp dẫn. Giải pháp đầy đủ có lẽ sẽ yêu cầu một thành phần mới trong mô hình vũ trụ, xuất hiện trước thời điểm mà các proton và electron lần đầu tiên kết hợp để tạo thành hydro ngay sau Vụ nổ lớn, chẳng hạn như một dạng vật chất tối đặc biệt, một loại năng lượng tối ban đầu hoặc năng lượng nguyên thủy. từ trường. Hoặc, có lẽ, có một lỗi hệ thống chưa biết trong dữ liệu.

Điều đó nói rằng, nghiên cứu của chúng tôi đã chứng minh rằng có thể kiểm tra tính hợp lệ của thuyết tương đối rộng đối với khoảng cách vũ trụ bằng cách sử dụng dữ liệu quan sát. Trong khi chúng tôi vẫn chưa giải quyết được vấn đề Hubble, chúng tôi sẽ có nhiều dữ liệu hơn từ các tàu thăm dò mới trong một vài năm tới.

Điều này có nghĩa là chúng ta sẽ có thể sử dụng các phương pháp thống kê này để tiếp tục điều chỉnh thuyết tương đối rộng, khám phá các giới hạn của các sửa đổi, để mở đường cho việc giải quyết một số thách thức mở trong vũ trụ học.

Bài viết này được đăng lại từ Cuộc trò chuyện (mở trong tab mới) theo giấy phép Creative Commons. Đọc bài báo gốc (mở trong tab mới).