Kan vi droppe mørk energi ved bedre at forstå den generelle relativitet?

Et fornyet forslag om, at mørk energi måske ikke er ægte - uden 70% af tingene i universet - har genoplivet en mangeårig debat.

Mørk energi og mørkt stof er teoretiske opfindelser, der forklarer observationer, vi ellers ikke kan forstå.

På galaksernes skala, tyngdekraften ser ud til at være stærkere, end vi kan tage højde for kun ved at bruge partikler, der er i stand til at udsende lys. Så vi tilføjer partikler af mørkt stof som 25% af universets masseenergi. Sådanne partikler er aldrig blevet påvist direkte.

På de større skalaer, som universet ekspanderer på, tyngdekraften ser svagere ud end forventet i et univers, der kun indeholder partikler - hvad enten det er almindeligt eller mørkt stof. Så vi tilføjer "mørk energi":en svag tyngdekraftskraft, der virker uafhængigt af stof.

Kort historie om "mørk energi"

Ideen om mørk energi er lige så gammel som den generelle relativitet selv. Albert Einstein inkluderede det, da han første gang anvendte relativitet til kosmologi for præcis 100 år siden.

Einstein ville fejlagtigt balancere stofets selvtiltrækning ved tyngdekraften på de største skalaer. Han kunne ikke forestille sig, at universet havde en begyndelse og ikke ønskede, at det skulle ændre sig med tiden.

Næsten intet vidste man om universet i 1917. Selve tanken om, at galakser var objekter på store afstande, blev diskuteret.

Einstein stod over for et dilemma. Den fysiske essens i hans teori, som opsummeret årtier senere i introduktionen af ​​en berømt lærebog er:

Materiale fortæller rummet, hvordan man kurver, og rummet fortæller, hvordan man bevæger sig.

Det betyder, at rummet naturligvis ønsker at udvide eller trække sig sammen, bøjer sig sammen med sagen. Den står aldrig stille.

Dette blev realiseret af Alexander Friedmann, der i 1922 beholdt de samme ingredienser som Einstein. Men han forsøgte ikke at afbalancere mængden af ​​stof og mørk energi. Det foreslog en model, hvor universer, der kunne ekspandere eller trække sig sammen.

Yderligere, udvidelsen ville altid bremse, hvis der kun var stof til stede. Men det kunne fremskynde, hvis anti-tyngdekraften mørk energi var inkluderet.

Siden slutningen af ​​1990'erne har mange uafhængige observationer tilsyneladende krævet en sådan accelererende ekspansion, i et univers med 70% mørk energi. Men denne konklusion er baseret på den gamle udvidelsesmodel, der ikke har ændret sig siden 1920'erne.

Standard kosmologisk model

Einsteins ligninger er dybt svære. Og ikke bare fordi der er flere af dem end i Isaac Newtons tyngdekraftsteori.

Desværre, Einstein efterlod nogle grundlæggende spørgsmål ubesvarede. Disse inkluderer - på hvilke skalaer betyder noget, at rummet fortæller, hvordan man kurver? Hvad er det største objekt, der bevæger sig som en individuel partikel som reaktion? Og hvad er det korrekte billede på andre skalaer?

Disse spørgsmål undgås bekvemt ved den 100-årige tilnærmelse-indført af Einstein og Friedmann-at, gennemsnitlig, Universet udvides ensartet. Ligesom hvis alle kosmiske strukturer kunne sættes gennem en blender for at lave en funktionel suppe.

Denne homogeniserende tilnærmelse var berettiget tidligt i kosmisk historie. Vi ved fra den kosmiske mikrobølge baggrund - relikvie -strålingen fra Big Bang - at variationer i stofets tæthed var små, da universet var mindre end en million år gammelt.

Men universet er ikke homogen i dag. Gravitationsinstabilitet førte til væksten af ​​stjerner, galakser, klynger af galakser, og til sidst et stort "kosmisk web", domineret i volumen af ​​hulrum omgivet af plader af galakser og gevindskåret med sprøde filamenter.

I standard kosmologi, vi antager en baggrund, der udvider sig, som var der ingen kosmiske strukturer. Vi laver derefter computersimuleringer ved kun at bruge Newtons 330-årige teori. Dette frembringer en struktur, der ligner det observerede kosmiske væv på en rimeligt overbevisende måde. Men det kræver at inkludere mørk energi og mørkt stof som ingredienser.

Selv efter at have opfundet 95% af universets energitæthed for at få tingene til at fungere, selve modellen står stadig over for problemer, der spænder fra spændinger til anomalier.

Yderligere, standardkosmologi løser også rumets krumning til at være ensartet overalt, og afkoblet fra stof. Men det er i modstrid med Einsteins grundidé, at sagen fortæller rummet, hvordan man kurver.

Vi bruger ikke al almindelig relativitet! Standardmodellen er bedre opsummeret som: Friedmann fortæller rummet, hvordan man kurver, og Newton fortæller, hvordan man bevæger sig.

Indtast "bagreaktion"

Siden begyndelsen af ​​2000'erne har nogle kosmologer har undersøgt tanken om, at mens Einsteins ligninger forbinder stof og krumning på små skalaer, deres store gennemsnit kan forårsage tilbageaktion-gennemsnitlig ekspansion, der ikke ligefrem er homogen.

Materiale- og krumningsfordelinger starter næsten ensartet, når universet er ungt. Men efterhånden som det kosmiske web dukker op og bliver mere kompleks, variationerne i lille krumning vokser sig store, og den gennemsnitlige ekspansion kan afvige fra standardkosmologiens.

Nylige numeriske resultater fra et team i Budapest og Hawaii, der hævder at undvære mørk energi, brugte standard newtoniske simuleringer. Men de udviklede deres kode fremad i tid ved en ikke-standardmetode til at modellere tilbageaktionseffekten.

Spændende nok, den resulterende ekspansionslov passer til Planck-satellitsdataspor meget tæt på den for en ti år gammel generel relativitetsbaseret modreaktionsmodel, kendt som timescape -kosmologien. Det antyder, at vi er nødt til at kalibrere ure og linealer forskelligt, når vi overvejer variationer i krumning mellem galakser og hulrum. For én ting, det betyder, at universet ikke længere har en enkelt alder.

I det næste årti, eksperimenter såsom Euclid -satellitten og CODEX -eksperimentet, vil have magt til at teste, om kosmisk ekspansion følger Friedmanns homogene lov, eller en alternativ modreaktionsmodel.

For at være forberedt, det er vigtigt, at vi ikke lægger alle vores æg i en kosmologisk kurv, som Avi Loeb, Formand for astronomi ved Harvard, har for nylig advaret. Med Loebs ord:

For at undgå stagnation og pleje en levende videnskabelig kultur, en forskningsgrænse bør altid opretholde mindst to måder at fortolke data på, så nye eksperimenter har til formål at vælge den korrekte. En sund dialog mellem forskellige synspunkter bør fremmes gennem konferencer, der diskuterer konceptuelle spørgsmål og ikke kun eksperimentelle resultater og fænomenologi, som ofte er tilfældet i øjeblikket.

Hvad kan generel relativitet lære os?

Mens de fleste forskere accepterer, at tilbagevirkningseffekterne eksisterer, den virkelige debat handler om, hvorvidt dette kan føre til mere end 1% eller 2% forskel fra massenergibudget i standard kosmologi.

Enhver reaktion, der eliminerer mørk energi, skal forklare, hvorfor loven om gennemsnitlig ekspansion fremstår så ensartet på trods af den kosmiske banes inhomogenitet, noget standard kosmologi antager uden forklaring.

Da Einsteins ligninger i princippet kan få rummet til at ekspandere på ekstremt komplicerede måder, et forenklet princip er påkrævet for deres store gennemsnit. Dette er den tidsmæssige kosmologis tilgang.

Ethvert forenklet princip for kosmologiske gennemsnit vil sandsynligvis have sin oprindelse i det meget tidlige univers, da det var meget enklere end universet i dag. I de sidste 38 år har inflationære universmodeller er blevet påberåbt for at forklare enkelheden i det tidlige univers.

Selvom det var succesfuldt i nogle aspekter, mange modeller for inflation er nu udelukket af Planck satellitdata. Dem, der overlever, giver pirrende antydninger af dybere fysiske principper.

Mange fysikere betragter stadig universet som et fast kontinuum, der opstår uafhængigt af de materielle felter, der bor i det. Men, i relativitetens ånd - at rum og tid kun har betydning, når de er relationelle - kan det være nødvendigt at gentænke grundidéer.

Da selve tiden kun måles af partikler med en hvilemasse uden nul, måske rumtid, som vi kender den, dukker først op, når de første massive partikler kondenserer.

Uanset den endelige teori, det vil sandsynligvis indeholde den centrale innovation inden for generel relativitet, nemlig den dynamiske kobling af stof og geometri, på kvante niveau.

Denne artikel blev oprindeligt offentliggjort på The Conversation. Læs den originale artikel.