มีบางอย่างผิดปกติกับทฤษฎีแรงโน้มถ่วงของไอน์สไตน์

ทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปของอัลเบิร์ต ไอน์สไตน์ประสบความสำเร็จอย่างมากในการอธิบายแรงโน้มถ่วงของดวงดาวและดาวเคราะห์ต่างๆ แต่ดูเหมือนจะใช้ไม่ได้อย่างสมบูรณ์ในทุกระดับ

ทุกสิ่งในจักรวาลมีแรงดึงดูด – และรู้สึกได้เช่นกัน กระนั้น แรงพื้นฐานที่พบมากที่สุดในบรรดาแรงพื้นฐานทั้งหมดก็เป็นแรงที่นำเสนอความท้าทายที่ยิ่งใหญ่ที่สุดสำหรับนักฟิสิกส์เช่นกัน ทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปของอัลเบิร์ต ไอน์สไตน์(เปิดในแท็บใหม่) ประสบความสำเร็จอย่างน่าทึ่งในการอธิบายแรงโน้มถ่วงของดวงดาวและดาวเคราะห์ แต่ดูเหมือนจะใช้ไม่ได้อย่างสมบูรณ์ในทุกระดับ

ทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปได้ผ่านการทดสอบเชิงสังเกตเป็นเวลาหลายปี จาก  การวัดของ Eddington(เปิดในแท็บใหม่) จากการหักเหของแสงดาวจากดวงอาทิตย์ในปี พ.ศ. 2462 ไปจนถึงการ  ตรวจจับคลื่นความโน้มถ่วงครั้งล่าสุด(เปิดในแท็บใหม่). อย่างไรก็ตาม ช่องว่างในความเข้าใจของเราเริ่มปรากฏขึ้นเมื่อเราพยายามนำไปใช้กับระยะทางที่น้อยมาก ซึ่ง  กฎของกลศาสตร์ควอนตัมดำเนินการอยู่(เปิดในแท็บใหม่)หรือเมื่อเราพยายามอธิบายจักรวาลทั้งหมด

การศึกษาใหม่ของเรา  ตีพิมพ์ใน Nature Astronomy(เปิดในแท็บใหม่)ได้ทดสอบทฤษฎีของไอน์สไตน์ในระดับที่ใหญ่ที่สุดแล้ว เราเชื่อว่าแนวทางของเราอาจช่วยไขปริศนาที่ยิ่งใหญ่ที่สุดในจักรวาลวิทยาได้ในวันหนึ่ง และผลที่ได้บอกเป็นนัยว่าทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปอาจต้องมีการปรับเปลี่ยนในระดับนี้

ผิดรุ่น?

ทฤษฎีควอนตัมทำนายว่าพื้นที่ว่างหรือสุญญากาศนั้นอัดแน่นไปด้วยพลังงาน เราไม่สังเกตเห็นการมีอยู่ของมันเพราะอุปกรณ์ของเราสามารถวัดการเปลี่ยนแปลงของพลังงานได้เท่านั้น ไม่ใช่ปริมาณทั้งหมด

อย่างไรก็ตาม จากข้อมูลของไอน์สไตน์ พลังงานสุญญากาศมีแรงโน้มถ่วงที่น่ารังเกียจ ซึ่งจะทำให้พื้นที่ว่างแยกออกจากกัน ที่น่าสนใจคือในปี 1998 มีการค้นพบว่าการขยายตัวของเอกภพกำลังเร่งตัวขึ้น (การค้นพบนี้ได้รับรางวัล  โนเบลสาขาฟิสิกส์ในปี 2011(เปิดในแท็บใหม่)). อย่างไรก็ตาม ปริมาณของพลังงานสุญญากาศหรือพลังงานมืดตามที่ถูกเรียกว่า จำเป็นต่อการอธิบายความเร่งนั้นมีขนาดเล็กกว่าที่ทฤษฎีควอนตัมคาดการณ์ไว้หลายลำดับ

ดังนั้นคำถามใหญ่ที่เรียกว่า “ปัญหาค่าคงตัวของจักรวาลแบบเก่า” คือว่าพลังงานสุญญากาศมีแรงโน้มถ่วงจริงหรือไม่ – ออกแรงดึงดูดและเปลี่ยนแปลงการขยายตัวของเอกภพ

ถ้าใช่ ทำไมแรงโน้มถ่วงของมันถึงอ่อนแอกว่าที่คาดการณ์ไว้มาก ถ้าสุญญากาศไม่มีแรงโน้มถ่วงเลย อะไรเป็นสาเหตุของการเร่งความเร็วของจักรวาล

เราไม่รู้ว่าพลังงานมืดคืออะไร แต่เราต้องสันนิษฐานว่ามันมีอยู่จริงเพื่ออธิบายการขยายตัวของเอกภพ ในทำนองเดียวกัน เรายังจำเป็นต้องสันนิษฐานว่ามีสสารที่มองไม่เห็นอยู่ประเภทหนึ่ง ซึ่งเรียกว่าสสารมืด เพื่ออธิบายว่ากาแลคซีและกระจุกดาววิวัฒนาการมาเป็นแบบที่เราสังเกตทุกวันนี้ได้อย่างไร

สมมติฐานเหล่านี้รวมอยู่ในทฤษฎีจักรวาลวิทยามาตรฐานของนักวิทยาศาสตร์ที่เรียกว่าแบบจำลองสสารมืดเย็นแลมบ์ดา (LCDM) ซึ่งบ่งชี้ว่ามีพลังงานมืด 70% สสารมืด 25% และสสารธรรมดา 5% ในจักรวาล และแบบจำลองนี้ประสบความสำเร็จอย่างมากในการปรับข้อมูลทั้งหมดที่รวบรวมโดยนักจักรวาลวิทยาในช่วง 20 ปีที่ผ่านมา

แต่ข้อเท็จจริงที่ว่าจักรวาลส่วนใหญ่ประกอบด้วยพลังมืดและสสารต่างๆ ซึ่งรับค่าแปลกๆ ที่ไม่สมเหตุสมผล ทำให้นักฟิสิกส์หลายคนสงสัยว่าทฤษฎีแรงโน้มถ่วงของไอน์สไตน์จำเป็นต้องปรับเปลี่ยนเพื่ออธิบายจักรวาลทั้งหมดหรือไม่

การเปลี่ยนแปลงครั้งใหม่ปรากฏขึ้นเมื่อไม่กี่ปีที่ผ่านมาเมื่อเห็นได้ชัดว่าวิธีการวัดอัตราการขยายตัวของเอกภพด้วยวิธีต่างๆ ซึ่งเรียกว่าค่าคงที่ฮับเบิลนั้นให้คำตอบที่แตกต่างกัน ซึ่งเป็นปัญหาที่เรียก  ว่าความตึงเครียดของฮับเบิล(เปิดในแท็บใหม่).

ความไม่ลงรอยกันหรือความตึงเครียดอยู่ระหว่างค่าคงที่ฮับเบิลสองค่า หนึ่งคือตัวเลขที่ทำนายโดยแบบจำลองจักรวาลวิทยา LCDM ซึ่งได้รับการพัฒนาให้ตรง  กับแสงที่เหลือจากบิ๊กแบง(เปิดในแท็บใหม่) (รังสีไมโครเวฟพื้นหลังของจักรวาล) อีกประการหนึ่งคืออัตราการขยายที่วัดได้จากการสังเกตดาวฤกษ์ที่ระเบิดซึ่งเรียกว่าซุปเปอร์โนวาในดาราจักรอันไกลโพ้น

มีการเสนอแนวคิดทางทฤษฎีมากมายสำหรับวิธีการปรับเปลี่ยน LCDM เพื่ออธิบายความตึงเครียดของฮับเบิล ในหมู่พวกเขามีทฤษฎีแรงโน้มถ่วงทางเลือก

หน้าแรก