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Diese "Chamäleontheorie" erklärt Dinge über die Schwerkraft, die Einstein nicht konnte

2020

Mehr als 100 Jahre, nachdem Albert Einstein erstmals seine Ideen darüber skizziert hat, wie sich die Schwerkraft in das Gefüge der Raumzeit einfügt, gibt es noch kein anderes Modell, das besser definiert, wie sich Objekte im Universum bewegen und wie sie sich verhalten. Die allgemeine Relativitätstheorie ist nicht nur eine glattere Erklärung als jede vorgeschlagene Alternative. Dies lässt sich vor allem in den letzten Jahren durch die Erkennung von Gravitationswellen, die durch den Kosmos plätschern, und durch das erste Bild eines Schwarzen Lochs belegen.

Die allgemeine Relativitätstheorie ist jedoch nicht einwandfrei. Während es die überwiegende Mehrheit dessen erklärt, was wir durch das Universum beobachten, hinterlässt es einen angemessenen Anteil an Rissen. Dies hat zu alternativen Gravitationsmodellen geführt, die versuchen, diese Wissenslücken zu schließen. Eines dieser Modelle ist eine "Chamäleontheorie" mit dem Namen f (R) Schwerkraft. Eine neue Studie, die diese Woche in Nature Astronomy veröffentlicht wurde, legt nahe, dass sie ein brauchbares Modell für die Beschreibung ist, wie die Schwerkraft einige der größten Objekte im bekannten Universum beeinflusst hat.

"Diese Studie ist die erste, die belegt, dass eine alternative Gravitationstheorie trotz des komplizierten Verhaltens der Gravitationskraft immer noch realistische Galaxien erzeugen kann", sagt Baojiu Li, Professor für Physik an der Durham University in Großbritannien und Mitautor der neuen Veröffentlichung . "Studien wie diese werden uns helfen, die Machbarkeit einer Theorie zu überprüfen und Orte zu identifizieren, an denen wir die verschiedenen Theorien der Schwerkraft mithilfe zukünftiger Beobachtungsdaten testen können."

Die Chamäleontheorie ist ein Sammelbegriff für eine Klasse von Gravitationstheorien, die von der allgemeinen Relativitätstheorie abweichen. Die Standardphysik beschreibt die Existenz von vier fundamentalen Kräften (Schwerkraft, Elektromagnetismus und starke und schwache Wechselwirkungen auf subatomarer Ebene). Die Chamäleontheorie geht jedoch davon aus, dass es eine zusätzliche „fünfte Kraft“ gibt, die in dichten Regionen des Weltraums wie dem Sonnensystem verborgen ist, in Regionen mit geringer Dichte jedoch viel einflussreicher ist.

"Solch ein umweltabhängiges Verhalten der Theorie bringt ihm den Namen" Chamäleontheorie "ein", sagt Li. Der größte Teil des Universums existiert in Umgebungen mit geringer Dichte, was bedeutet, dass es ein großes Potenzial gibt, Signaturen für diese formverändernde Kraft zu finden und sie zum Testen von Chamäleontheorien zu verwenden.

Die f (R) -Gravitation ist eine dieser sogenannten Chamäleontheorien. Laut Li wird es seit Anfang 1970 als Alternative zur allgemeinen Relativitätstheorie eingesetzt und in verschiedenen Kontexten als Gravitationsmodell untersucht, um sowohl die frühe Kindheit des Universums als auch seinen aktuellen Zustand zu erklären.

In den 1990er und frühen 2000er Jahren fand es ein wiederauflebendes Interesse der Wissenschaftler, als kosmologische Daten zeigten, dass sich die Expansion des Universums tatsächlich beschleunigte. Laut Li funktioniert die allgemeine Relativitätstheorie sehr gut, um diese beschleunigte Expansion durch dunkle Energie zu beschreiben. Es gebe jedoch einige Diskrepanzen zwischen dem, was dieses Modell vorhersagen sollte, und dem, was Wissenschaftler tatsächlich in den Daten beobachtet haben. Und die Tatsache, dass wir die Dunkle Energie nie tatsächlich beobachtet haben, war der allgemeinen Relativitätstheorie immer ein kosmologischer Dorn im Auge.

Hier ist der Haken: Wenn Sie an der Schwerkraft herumspielen, spielen Sie im Grunde genommen mit allem anderen im Universum herum. Die Schwerkraft entscheidet, wie Materie zu Gesteinen, Asteroiden, Sternen und Galaxien aggregiert - so nimmt buchstäblich alles Gestalt an. Wenn die f (R) -Gravitation plausibel ist, sollte sie ein Universum fördern, das unserem ähnelt, in dem Galaxien wie Spiralen und Ellipsen aussehen und nicht wie eine Reihe von himmlischen Rorschach-Tests.

Li und sein Team führten Supercomputersimulationen eines Universums durch, das von der f (R) -Schwerkraft geleitet wurde, und stellten fest, dass sich realistische Galaxien wie unsere Milchstraße mit Eigenschaften bilden können, die wir bereits beobachtet haben, selbst inmitten des komplizierten Verhaltens von Die fünfte Kraft «, sagt er. Dies geschah trotz der Tatsache, dass ein verändertes Schwerkraftmodell die Menge an Wärme verursachte, die Schwarze Löcher erzeugen, wenn sie Materie verschlucken - eine Dynamik, die die Galaxienbildung massiv hätte stören können, aber irgendwie nicht.

Während die Ergebnisse zweifellos das Gefühl erwecken, dass etwas anderes als die allgemeine Relativitätstheorie die Welt beherrscht, betonen Li und sein Team, dass sie mit Sicherheit nicht behaupten, die f (R) Gravitation sei real oder die allgemeine Relativitätstheorie widerlegen. Die Simulationen der Studie sind genau das: Simulationen. Eine „fünfte Kraft“ mag tatsächlich existieren und beeinflussen, wie sich die Dinge im Universum bilden, aber bis wir Beobachtungen oder Daten haben, die beweisen, dass solche Wechselwirkungen real sind, theoretisieren wir nur. Die Simulationen selbst basieren auf den Daten, die wir bisher gesammelt haben, und man muss berücksichtigen, dass die Galaxienentstehung ein aktiv voranschreitendes Forschungsfeld ist und es immer noch ungewisse Dinge gibt sagt Li. Von uns gemessene falsche Signale, Löcher in Daten und andere unsichere Variablen können leicht zu fehlerhaften Simulationen führen. Und nur weil wir noch nie dunkle Energie beobachtet haben, heißt das noch lange nicht, dass sie annulliert wurde.

Wir werden nie wirklich wissen, ob die allgemeine Relativitätstheorie den Schuh verdient oder nicht, es sei denn, wir können tatsächlich die Schwerkraft und andere Chamäleontheorien in der realen Welt testen - und das ist offensichtlich viel einfacher gesagt als getan . Wir wissen, dass Chamäleons ihre Farben ändern, weil wir es im wirklichen Leben gesehen haben. Aber wie sollen sich die Gesetze der Schwerkraft ändern? Wie ist so etwas zu beobachten? Auf diese Frage gibt es keine einfache Antwort.

Die Durham-Forscher hoffen, diese Aufgabe mit dem bevorstehenden Quadratkilometer-Array zu starten, mit dem die Beobachtungen im Jahr 2020 beginnen sollen. Es wird das weltweit größte Radioteleskop sein, das sich über zwei Kontinente erstreckt und leistungsstark genug ist, um weit in den Weltraum zu blicken und beobachte Sterne und Galaxien, die sich kurz nach dem Urknall gebildet haben. In nur wenigen Jahren könnten wir Daten gewinnen, die etwas über die Dunkle Energie und die allgemeine Relativitätstheorie aussagen, oder ob eine Chamäleontheorie das Universum beeinflussen könnte. Ehrlich gesagt klingt es nicht so schlecht, den Einfluss von Einstein durch eine Eidechsenart zu ersetzen.

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