Auf der Suche nach der Theorie der Schwerkraft

Einsteins Gravitationstheorie –Generelle Relativität-Es ist seit über einem Jahrhundert sehr erfolgreich. Es hat jedoch theoretische Nachteile. Dies ist nicht überraschend: Die Theorie sagt voraus, dass Raum-Zeit-Singularitäten im Inneren von Schwarzen Löchern versagen werden – und Der Urknall selbst.

Im Gegensatz zu physikalischen Theorien, die die anderen drei Grundkräfte der Physik beschreiben – die elektromagnetische Kraft sowie die starken und schwachen Kernwechselwirkungen – wurde die Allgemeine Relativitätstheorie nur bei schwacher Schwerkraft getestet.

Abweichungen der Schwerkraft von der allgemeinen Relativitätstheorie sind keineswegs ausgeschlossen oder überall im Universum zu beobachten. Laut theoretischen Physikern kommt es zwangsläufig zu einer Ablenkung.

Abweichungen und Quantenmechanik

Laut Einstein entstand unser Universum durch den Urknall. Andere Singularitäten verbergen sich im Inneren von Schwarzen Löchern: Raum und Zeit haben dort keine Bedeutung, während Größen wie Energiedichte und Druck unendlich werden. Diese weisen darauf hin, dass Einsteins Theorie hier versagt und durch eine grundlegendere Theorie ersetzt werden sollte.

Es ist naiv, Raum-Zeit-Singularitäten mithilfe der Quantenmechanik zu lösen, was für sehr kleine Skalen gilt.

Die Quantenphysik basiert auf zwei einfachen Ideen: Punktpartikel Unlogisch; und Heisenbergs Unschärferelation, die besagt, dass der Wert bestimmter Größenpaare nie mit absoluter Präzision bekannt sein kann – zum Beispiel die Position und Geschwindigkeit eines Teilchens. Denn Teilchen sollten nicht als Punkte, sondern als Wellen betrachtet werden; Auf kleinen Skalen verhalten sie sich wie Materiewellen.

Dies reicht aus, um zu verstehen, dass eine Theorie, die die allgemeine Relativitätstheorie und die Quantenphysik einschließt, frei von solchen Pathologien sein muss. Allerdings führen alle Versuche, allgemeine Relativitätstheorie und Quantenphysik zu verbinden, zwangsläufig zu Abweichungen von Einsteins Theorie.

Daher kann Einsteins Gravitation nicht die endgültige Theorie der Gravitation sein. Tatsächlich dauerte es nicht lange nach Einsteins Einführung der Allgemeinen Relativitätstheorie im Jahr 1915, dass Arthur Eddington, der die Theorie berühmt verifizierte, in … Sonnenfinsternis 1919Ich fing an, nach Alternativen zu suchen, nur um zu sehen, wie die Dinge anders sein könnten.

Einsteins Theorie hat bisher alle Tests überstanden und verschiedene Ergebnisse der Theorie genau vorhergesagt Präfix der Merkurbahn durch das Vorhandensein von Gravitationswellen. Wo verbergen sich also diese Abweichungen von der Allgemeinen Relativitätstheorie?

Kosmologie ist wichtig

Ein Jahrhundert Forschung hat uns das Standardmodell der Kosmologie gegeben, das als kalte dunkle Materie bekannt ist Modell (ΛCDM).. Hier bezieht sich Λ entweder auf Einsteins berühmte kosmologische Konstante oder auf eine mysteriöse dunkle Energie mit ähnlichen Eigenschaften.

Dunkle Energie wurde von Astronomen gezielt eingeführt, um das Universum zu erklären Beschleunigung der kosmischen Expansion. Obwohl es bis vor Kurzem sehr gut zu den kosmologischen Daten passte, ist das ΛCDM-Modell überraschend unvollständig und aus theoretischer Sicht unbefriedigend.

In den letzten fünf Jahren habe ich auch schwere Erfahrungen gemacht Beobachtungsspannungen. Die Hubble-Konstante, die das Alter und die Entfernungsskala des Universums bestimmt, kann im frühen Universum mithilfe des kosmischen Mikrowellenhintergrunds und im späten Universum mithilfe von Supernovae als Standardkerzen gemessen werden.

Diese beiden Messungen ergeben Inkompatible Ergebnisse. Noch wichtiger ist die Natur der Schlüsselkomponenten des ΛCDM-Modells – dunkle Energie, dunkle Materie und das Feld, das das frühe Universum antreibt Wirtschaftsinflation (eine sehr kurze Periode extrem schneller Expansion, die zur Entstehung von Galaxienkeimen und Galaxienhaufen führte) – bleibt ein Rätsel.

Aus beobachtender Sicht ist der überzeugendste Treiber der modifizierten Schwerkraft die Beschleunigung des Universums, die 1998 mit … festgestellt wurde. Supernovae vom Typ Ia, dessen Leuchtkraft durch diese Beschleunigung abnimmt. Das auf der allgemeinen Relativitätstheorie basierende ΛCDM-Modell geht von der Existenz einer sehr seltsamen dunklen Energie mit Unterdruck aus, die das Universum durchdringt.

Das Problem ist, dass diese dunkle Energie keine physikalische Rechtfertigung hat. Seine Natur ist nicht vollständig bekannt, obwohl A Eine große Anzahl von Modellen Es wurde vorgeschlagen. Eine vorgeschlagene Alternative zur Dunklen Energie ist die kosmologische Konstante Λ, die laut Quantenmechanik Hinterlistige Berechnungen (aber fraglich).Es sollte riesig sein.

Allerdings muss Λ stattdessen unglaublich klein angepasst werden, um kosmologischen Beobachtungen zu entsprechen. Wenn dunkle Energie existiert, ist unsere Unkenntnis ihrer Natur zutiefst beunruhigend.

Alternativen zu Einsteins Theorie

Könnten die Probleme stattdessen aus einem fehlerhaften Versuch entstehen, kosmologische Beobachtungen in die allgemeine Relativitätstheorie einzupassen, etwa so, als würde man jemandem eine zu kleine Hose anziehen? Dass wir die ersten Abweichungen von der Allgemeinen Relativitätstheorie beobachten, wenn mysteriöse dunkle Energie einfach nicht existiert?

diese Idee, Zum ersten Mal empfohlen Diese von Forschern der Universität Neapel verfolgte Idee hat enorme Popularität erlangt, während das konkurrierende Lager der Dunklen Energie weiterhin stark ist.

Wie können wir das erkennen? Abweichungen von Einsteins Schwerkraft sind Begrenzt durch Experimente im Sonnensystemletzte Anmerkungen zu Gravitationswellen Und das Nahaufnahmen von Schwarzen Löchern.

Es gibt jetzt eine Tolle Literatur Über alternative Gravitationstheorien zur Allgemeinen Relativitätstheorie, die auf Eddingtons frühe Untersuchungen im Jahr 1923 zurückgehen. Eine sehr häufige Klasse von Alternativen ist die sogenannte Tensorskalargravitation. Es ist konzeptionell sehr einfach, da es nur eine zusätzliche Komponente (ein Skalarfeld, das dem einfachsten Nicht-Spin-Teilchen entspricht) in Einsteins geometrische Beschreibung der Schwerkraft einführt.

Aber die Konsequenzen dieses Programms sind keineswegs trivial. Es ist ein auffälliges Phänomen.“Chamäleon-Effekt„und besteht darin, dass diese Theorien sich in Umgebungen mit hoher Dichte (wie in Sternen oder im Sonnensystem) als allgemeine Relativitätstheorie tarnen können, während sie in der Umgebung mit geringer Dichte der Kosmologie stark davon abweichen.

Infolgedessen fehlt das zusätzliche Gravitationsfeld (Gravitationsfeld) in Systemen vom Typ I praktisch, tarnt sich als Chamäleon und ist nur auf größeren (kosmischen) Skalen zu spüren.

momentane Situation

Heutzutage hat sich die Palette der Alternativen zur Einsteinschen Schwerkraft dramatisch erweitert. Selbst das Hinzufügen einer einzigen massiven Skalaranregung (d. h. eines Teilchens ohne Spin) zu Einsteins Gravitation – und die Beibehaltung der resultierenden Gleichungen „einfach“, um einige bekannte fatale Instabilitäten zu vermeiden – führte zu einer viel breiteren Klasse der Gravitation. Horndeskys Theorienund nachfolgende Verallgemeinerungen.

Theoretiker haben das letzte Jahrzehnt damit verbracht, physikalische Konsequenzen aus diesen Theorien zu ziehen. Aktuelle Entdeckungen von Gravitationswellen Ich habe einen Weg dazu bereitgestellt Beschränkung der Änderungen auf der physikalischen Ebene Die Schwerkraft erlaubte Einstein.

Es gibt jedoch noch viel zu tun und wir hoffen auf zukünftige Fortschritte Multi-Messenger-Astronomie Dies führt zur Entdeckung von Modifikationen der Allgemeinen Relativitätstheorie, bei denen die Schwerkraft sehr stark ist.