بحثا عن نظرية الجاذبية

نظرية الجاذبية لأينشتاين –النسبية العامة– حقق نجاحًا كبيرًا لأكثر من قرن. ومع ذلك، فإنه يحتوي على عيوب نظرية. وهذا ليس مفاجئًا: إذ تتنبأ النظرية بفشلها عندما يتعلق الأمر بتفردات الزمكان داخل الثقوب السوداء. الانفجار الكبير نفسه.

على عكس النظريات الفيزيائية التي تصف القوى الأساسية الثلاث الأخرى في الفيزياء – التفاعلات الكهرومغناطيسية والتفاعلات النووية القوية والضعيفة – تم اختبار نظرية النسبية العامة فقط في الجاذبية الضعيفة.

إن انحرافات الجاذبية عن النسبية العامة لا يتم استبعادها أو اختبارها بأي حال من الأحوال في أي مكان في الكون. ووفقا لعلماء الفيزياء النظرية، لا بد أن يحدث انحراف.

الانحرافات وميكانيكا الكم

وفقا لأينشتاين، فإن كوننا ولد من الانفجار الكبير. تختبئ تفردات أخرى داخل الثقوب السوداء: لم يعد للمكان والزمان أي معنى، بينما تصبح الكميات مثل كثافة الطاقة والضغط لا نهائية. وهذا يشير إلى أن نظرية أينشتاين فشلت في هذه النقطة ويجب استبدالها بنظرية أكثر جوهرية.

ومن السذاجة أن يتم حل تفردات الزمكان عن طريق ميكانيكا الكم، والتي تنطبق على مقاييس صغيرة جدًا.

تعتمد فيزياء الكم على فكرتين بسيطتين: جزيئات النقطة أي معنى؛ ومبدأ عدم اليقين لهايزنبرغ، والذي بموجبه لا يمكننا أبدًا معرفة قيمة أزواج معينة من الكميات بدقة مطلقة، على سبيل المثال موضع الجسيم وسرعته. في الواقع، لا ينبغي اعتبار الجسيمات نقاطًا، بل موجات؛ على نطاق صغير، فإنها تتصرف مثل موجات المادة.

وهذا يكفي لفهم أن النظرية التي تشمل النسبية العامة وفيزياء الكم يجب أن تكون خالية من مثل هذه الأمراض. ومع ذلك، فإن كل المحاولات للخلط بين النسبية العامة وفيزياء الكم تؤدي بالضرورة إلى انحرافات عن نظرية أينشتاين.

ولذلك، فإن جاذبية أينشتاين لا يمكن أن تكون النظرية النهائية للجاذبية. في الواقع، بعد وقت قصير من تقديم أينشتاين للنسبية العامة في عام 1915، قام آرثر إدينجتون، المعروف بتحققه من هذه النظرية في كسوف الشمس عام 1919بدأت في البحث عن بدائل فقط لمعرفة كيف يمكن أن تكون الأمور مختلفة.

لقد نجت نظرية أينشتاين من جميع الاختبارات حتى الآن، وتنبأت بدقة بنتائج مختلفة من النظرية بادئة مدار عطارد لوجود موجات الجاذبية. إذن، أين تختفي هذه الانحرافات عن النسبية العامة؟

علم الكونيات مهم

لقد منحنا قرن من البحث النموذج القياسي لعلم الكون المعروف باسم المادة المظلمة الباردة. نموذج (ΛCDM).. تمثل Λ هنا إما الثابت الكوني الشهير لأينشتاين أو طاقة مظلمة غامضة لها خصائص مماثلة.

تم تقديم الطاقة المظلمة أحيانًا من قبل علماء الفلك لتفسير الكون تسارع التوسع الكوني. على الرغم من أنه قام بمطابقة البيانات الكونية بشكل جيد للغاية حتى وقت قريب، إلا أن نموذج ΛCDM غير مكتمل بشكل مذهل وغير مرض من الناحية النظرية.

وعلى مدى السنوات الخمس الماضية، واجهت أيضا خطورة توترات المراقبة. يمكن قياس ثابت هابل، الذي يحدد مقياس العمر والمسافة في الكون، في الكون المبكر باستخدام الخلفية الكونية الميكروية وفي الكون المتأخر باستخدام المستعرات الأعظم كشموع قياسية.

يعطي هذان القياسان نتائج غير متناسقة. والأهم من ذلك، طبيعة المكونات الرئيسية لنموذج ΛCDM: الطاقة المظلمة والمادة المظلمة والمجال الذي يحرك الكون المبكر. تضخم اقتصادي (فترة قصيرة جدًا من التوسع السريع للغاية في أصل بذور المجرات وعناقيد المجرات) – تظل لغزًا.

ومن الناحية الملاحظة، فإن الدافع الأكثر إلحاحا لتغير الجاذبية هو تسارع الكون المكتشف في عام 1998 مع المستعرات الأعظم من النوع Ia، الذي يضعف سطوعه بسبب هذا التسارع. يفترض نموذج ΛCDM المبني على النسبية العامة وجود طاقة مظلمة غريبة للغاية مع وجود ضغط سلبي يتخلل الكون.

المشكلة هي أن هذه الطاقة المظلمة ليس لها أي مبرر مادي. طبيعتها غير معروفة تمامًا، على الرغم من أن أ عدد كبير من النماذج أقترح. البديل المقترح للطاقة المظلمة هو الثابت الكوني Λ والذي وفقًا لميكانيكا الكم الحسابات الخلفية (لكنها مشكوك فيها)يجب أن تكون ضخمة.

ومع ذلك، يجب بدلاً من ذلك ضبط Λ بشكل لا يصدق إلى قيمة صغيرة لتتناسب مع الملاحظات الكونية. إذا كانت الطاقة المظلمة موجودة، فإن جهلنا بطبيعتها أمر مقلق للغاية.

بدائل لنظرية أينشتاين

هل يمكن أن تنشأ المشكلات بدلاً من ذلك من محاولة مضللة لملاءمة الملاحظات الكونية مع النسبية العامة، مثل ارتداء شخص ما سروالًا صغيرًا جدًا؟ أننا نلاحظ الانحرافات الأولى عن النسبية العامة في حين أن الطاقة المظلمة الغامضة ببساطة غير موجودة؟

هذه الفكرة، مقترحة لأول مرة اكتسبت هذه الفكرة، التي أجراها باحثون في جامعة نابولي، شعبية هائلة في حين ظل معسكر الطاقة المظلمة المنافس قويًا.

كيف يمكننا أن نعرف؟ الانحرافات عن جاذبية أينشتاين هي مقيدة بتجارب النظام الشمسيالملاحظات الأخيرة ل موجات الجاذبية و ال صور للثقوب السوداء في الأفق القريب.

يوجد الآن أ الأدب العظيم حول نظريات بديلة للجاذبية عن النسبية العامة، والتي يعود تاريخها إلى أبحاث إدينجتون المبكرة في عام 1923. وهناك فئة شائعة جدًا من البدائل هي ما يُعرف بالجاذبية العددية الموترة. إنه بسيط للغاية من الناحية النظرية لأنه يقدم مكونًا إضافيًا واحدًا فقط (مجالًا قياسيًا يتوافق مع أبسط جسيم غير مغزلي) لوصف أينشتاين الهندسي للجاذبية.

ومع ذلك، فإن عواقب هذا البرنامج ليست ضئيلة. ومن الظواهر الملفتة للنظر “تأثير الحرباء“، وتتمثل في حقيقة أن هذه النظريات يمكن أن تتنكر على أنها نسبية عامة في البيئات عالية الكثافة (مثل النجوم أو في النظام الشمسي) بينما تنحرف بشكل حاد عنها في بيئة علم الكونيات منخفضة الكثافة.

ونتيجة لذلك، فإن مجال (الجاذبية) الإضافي غائب فعليًا في النوع الأول من الأنظمة، ويتنكر في هيئة حرباء، ولا يمكن الشعور به إلا على المقاييس (الكونية) الأكبر.

الوضع الحالي

واليوم، اتسع نطاق البدائل لجاذبية أينشتاين بشكل كبير. وحتى إضافة إثارة عددية ضخمة واحدة (أي جسيم مغزلي صفر) إلى جاذبية أينشتاين ــ والحفاظ على المعادلات الناتجة “بسيطة” لتجنب بعض حالات عدم الاستقرار القاتلة المعروفة ــ أدى إلى ظهور فئة أكبر بكثير من الجاذبية. نظريات هورنديسكيوالتعميمات اللاحقة.

لقد أمضى المنظرون العقد الماضي في استخلاص العواقب الجسدية لهذه النظريات. الاكتشافات الأخيرة لل موجات الجاذبية قدمت وسيلة ل تقييد الطبقة المادية من التعديلات من جاذبية أينشتاين المسموح بها.

ومع ذلك، لا يزال هناك الكثير الذي يتعين القيام به، مع الأمل في إحراز تقدم في هذا المجال في المستقبل علم الفلك متعدد الرسل يؤدي إلى اكتشاف تعديلات في النسبية العامة حيث تكون الجاذبية قوية للغاية.