アルバート・アインシュタインの 1915 年の重力理論と一般相対性理論の驚異的な予測力を否定することはできませんが、長距離にわたるその影響を計算する場合、理論には依然として矛盾があります。 新しい研究は、これらの不一致は重力そのものの「宇宙の不均衡」の結果である可能性があることを示唆しています。
一般相対性理論は、最初に定式化されてから 109 年間、銀河規模の重力を最もよく説明し続けています。 実験によりその精度が繰り返し確認されています。 この理論は、後に観測によって確認される宇宙の側面を予測するためにも使用されています。 これらには、ビッグバン、ブラック ホールの存在、光の重力レンズ、重力波と呼ばれる時空の小さな波紋が含まれます。
しかし、それを超えたニュートン重力理論と同様、一般相対性理論もこの不思議な力の全容を解明することはできないかもしれません。
ウォータールー大学数理物理学科のロビン・ウェン氏は声明で、「この重力モデルは、ビッグバン理論からブラックホールの画像化に至るまで、あらゆるものに不可欠だった」と述べた。 「しかし、重力を宇宙レベル、銀河団レベル、さらにはそれ以上のレベルで理解しようとすると、一般相対性理論の予測との明らかな矛盾に遭遇します。」
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「数十億光年の距離を扱うと、重力は約1パーセント弱くなる」とウェン教授は語った。 「私たちはこの矛盾を『宇宙の不具合』と呼んでいます。あたかも重力自体がアインシュタインの理論と完全に一致しなくなったかのようです。」
研究チームが説明する宇宙の混乱には、重力定数と呼ばれる値の変化が必要となるだろう。 この変化は、計算が「超地平線」、つまり宇宙が始まって以来光が到達できる最も遠い距離に近づくと発生します。
研究チームによると、この修正は、標準の宇宙論モデルに拡張機能を 1 つ追加することで実現できるという。 このモデルは冷たい暗黒物質のラムダ モデルとして知られています。 修正が完了すると、現在成功している一般相対性理論の使用に影響を与えることなく、宇宙論レベルでの測定の不一致が解消されるはずです。
一般相対性理論とは何ですか? それは間違っている可能性がありますか?
一般相対性理論の発見は、重力を神秘的な力として説明する代わりに、重力が「時空」と呼ばれる単一の実体として結合された時空構造の曲率から生じると仮定したため、非常に革命的でした。 アインシュタインは、この曲率が質量を持つ物体によって形成されることに気づきました。
引き伸ばされたゴムシートの上に質量が増加するボールを置くことを想像してください。 テニスボールなら、ほとんど気づかれないほどの小さなへこみができます。 クリケットのボールを使用すると、より目立つへこみができます。 ボウリングのボールは大きなカーブを引き起こし、シート上の他のすべてのものをボールに引き寄せる可能性があります。 これは空間内の物体と同じ概念ですが、時空の曲率は 4 次元に存在するため、いくつかの重要な違いがあります。 しかし、月は惑星よりも質量が小さく、惑星は星よりも質量が小さく、恒星は銀河よりも質量が小さいため、これらの天体の重力の影響はそれぞれ増加します。
アインシュタインの重力理論はニュートンの理論の後継者として機能しましたが、後者は依然として地球規模で十分に機能し、ロケットを月に運ぶのに十分な精度を持っています。 しかし、アインシュタインの理論は、太陽の周りの水星の奇妙な軌道など、ニュートンの理論では説明できなかったことを説明できる可能性があります。
正確にはニュートンではなかった 間違い 重力に関しては、惑星、星、銀河のスケールについては正しくありませんでした。
しかし、一般相対性理論は間違っているのでしょうか？
まあ、そうではないかもしれません。 理論としては、私たちが何も知らなかった宇宙の側面を非常に正確に予測しました。 たとえば、イベント ホライゾン望遠鏡によって撮影されたブラック ホールの最初の画像は、2019 年 4 月に一般に公開されました。超大質量ブラック ホール M87* の外観が一般相対性理論の予測と非常に似ていたため、この画像はいくぶん衝撃的でした。
しかし、科学者たちは、一般相対性理論には最終的に修正が必要となる可能性のあるいくつかの問題があることを認識しています。 たとえば、この理論は量子力学と組み合わされません。 私たちが物理学を最もよく説明できるのは、原子よりも小さな基本的なレベルです。 これは主に、現在、重力を説明する量子理論が存在しないためです。
したがって、一般相対性理論の適用範囲を宇宙の最小スケール、そしてこのチームによれば最大スケールにまで「拡張」するために、ある時点で一般相対性理論に修正が加えられることは避けられないようだ。
研究者たちは何十年もの間、一般相対性理論の矛盾を克服するのに役立つ数学モデルの作成を試みており、ウォータールー大学の応用数学者と天体物理学者がこの取り組みに深く関わってきた。
一般相対性理論を変える？ 何！
一般相対性理論を改訂するという考えが異端のように聞こえる場合は、それに関連する理論が修正されなければならないのは今回が初めてではないと考えてください。
アインシュタインがこの理論を最初に発表した直後、彼と他の人々はそれを拡張して、宇宙の状態を記述する方程式を開発しました。 一般相対性理論の結果、この方程式は宇宙が変化するはずであると予測しました。 これの問題は、宇宙は静止しているという当時の科学的合意でした。 アインシュタインは現状を絶え間なく変化する状態に変えることに慣れていましたが、たまたまこの不変の宇宙像に同意していました。
一般相対性理論による静的な宇宙の予測を確実にするために、アインシュタインは後に「彼の最大の失敗」と述べた「補正係数」を追加しました。これは、ギリシャ文字のラムダで表される宇宙定数として知られています。 エドウィン・ハッブルがアインシュタインに宇宙は静的ではないと確信させたとき、定数は思考から取り除かれることになる。 それは拡大していると彼は言いました。 今日私たちが知る限り、ハッブルは実際には正しかったのです。
ただし、実際にはラムダが返されます。 20世紀末には、宇宙が膨張しているだけでなく加速度的に膨張していることが天文学者によって発見され、それは別の役割を果たし始めることになる。
ウォータールー大学の天体物理学教授で海洋研究所の研究員でもあるニアエシュ・アフシャリド氏は声明で、「ほぼ1世紀前、天文学者らは宇宙が膨張していることを発見した」と述べた。 「銀河は遠ざかるほど速くなり、アインシュタインの理論が許容する最大速度である光の速度に近い速度で移動しているように見えるほど、私たちの発見は、同じスケールでアインシュタインの理論も同様である可能性があることを示唆しています。」足りないだろう。」
ウォータールー大学の研究チームは、長距離にわたって重力を調節する「宇宙のグリッチ」について提案しており、アインシュタインの数式を拡張して理論を「転倒」させることなくこれに対処している。
「これはアインシュタインの理論の脚注だと考えてください」とウェン氏は言う。 「宇宙領域に到達すると、利用規約が適用されます。」
この宇宙グリッチ理論の背後にある研究者らは、宇宙の大規模構造と、ビッグバン直後に起こった現象からの宇宙マイクロ波背景放射（CMB）と呼ばれる地球規模の「化石」放射線の場の将来の観測によって、光が当たる可能性があると示唆している。重力における宇宙の不具合が現在の「宇宙の緊張」の原因であるかどうかについて。
これには、量子論が天体観測で示されるよりも大きい 10¹²¹ (10 の後に 120 個のゼロが続く) という驚くべき係数であるラムダの値が与えられる理由が含まれる可能性があります (一部の物理学者がこれを「宇宙史上最悪の理論的予測」と呼ぶのも不思議ではありません) ”）。 物理！”）。
「この新しいモデルは、私たちが時空を超えて解き明かし始めている宇宙のパズルの最初の証拠に過ぎないかもしれない」とアフショーディ氏は結論付けた。
チームの研究は、 宇宙論と天体粒子物理学ジャーナル。
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