Die unglaubliche Vorhersagekraft von Albert Einsteins Gravitationstheorie und der Allgemeinen Relativitätstheorie von 1915 lässt sich nicht leugnen – dennoch weist die Theorie immer noch Inkonsistenzen auf, wenn es darum geht, ihre Auswirkungen auf weite Entfernungen zu berechnen. Und neue Forschungsergebnisse deuten darauf hin, dass diese Inkonsistenzen das Ergebnis einer „kosmischen Störung“ in der Schwerkraft selbst sein könnten.
In den 109 Jahren seit ihrer ersten Formulierung ist die Allgemeine Relativitätstheorie unsere beste Beschreibung der Schwerkraft auf galaktischer Ebene geblieben; Immer wieder haben Experimente seine Richtigkeit bestätigt. Diese Theorie wurde auch verwendet, um Aspekte des Universums vorherzusagen, die später durch Beobachtungen bestätigt werden sollten. Dazu gehören der Urknall, die Existenz von Schwarzen Löchern, die Gravitationslinsenwirkung von Licht und winzige Wellen in der Raumzeit, sogenannte Gravitationswellen.
Doch ebenso wie die Newtonsche Gravitationstheorie, die sie übertraf, bietet uns die Allgemeine Relativitätstheorie möglicherweise nicht das vollständige Bild dieser rätselhaften Kraft.
„Dieses Modell der Schwerkraft war für alles von entscheidender Bedeutung, von der Theorie des Urknalls bis zur Fotografie von Schwarzen Löchern“, sagte Robin Wen vom Mathematical Physics Orogram der University of Waterloo in einer Erklärung. „Aber wenn wir versuchen, die Schwerkraft auf einer kosmischen Skala, auf der Skala von Galaxienhaufen und darüber hinaus, zu verstehen, stoßen wir auf offensichtliche Widersprüche mit den Vorhersagen der Allgemeinen Relativitätstheorie.“
Verwandt: „Quantengravitation“ könnte dazu beitragen, die Quantenmechanik endlich mit der Allgemeinen Relativitätstheorie zu vereinen
„Die Schwerkraft wird etwa ein Prozent schwächer, wenn es um Entfernungen von Milliarden Lichtjahren geht“, sagte Wen. „Wir nennen diese Inkonsistenz einen ‚kosmischen Fehler‘. Es ist fast so, als ob die Schwerkraft selbst nicht mehr perfekt mit Einsteins Theorie übereinstimmt.
Der vom Team beschriebene kosmische Fehler würde eine Änderung eines Wertes namens Gravitationskonstante erfordern. Diese Veränderung würde auftreten, wenn sich die Berechnungen dem „Superhorizont“ nähern, also der maximalen Entfernung, die das Licht seit der Entstehung des Universums zurückgelegt haben könnte.
Diese Anpassung könne, so das Team, durch das Hinzufügen einer einzigen Erweiterung zum standardmäßigen kosmologischen Modell erfolgen. Dieses Modell ist als Lambda-Modell der kalten dunklen Materie bekannt. Sobald die Ergänzung abgeschlossen ist, sollte sie Inkonsistenzen bei Messungen auf kosmologischen Skalen beseitigen, ohne die bestehenden erfolgreichen Anwendungen der Allgemeinen Relativitätstheorie zu beeinträchtigen.
Was ist allgemeine Relativitätstheorie und könnte sie falsch sein?
Die Entdeckung der Allgemeinen Relativitätstheorie war so revolutionär, weil sie die Schwerkraft nicht als mysteriöse Kraft beschrieb, sondern postulierte, dass die Schwerkraft aus der Krümmung des Gefüges von Raum und Zeit entsteht, die zu einer einzigen Einheit namens „Raumzeit“ vereint ist. Und diese Krümmung wird, wie Einstein erkannte, durch Objekte mit Masse geformt.
Stellen Sie sich vor, Sie legen Kugeln mit zunehmender Masse auf eine gespannte Gummiplatte. Ein Tennisball würde eine winzige, kaum wahrnehmbare Delle hinterlassen; ein Cricketball würde eine deutlichere Delle hinterlassen; und eine Bowlingkugel würde eine riesige Kurve antreiben, die wahrscheinlich alles andere auf dem Blatt anzieht. Es ist das gleiche Konzept mit Objekten im Raum, obwohl die Krümmung der Raumzeit in vier Dimensionen existiert, sodass es einige ganz wesentliche Unterschiede gibt. Dennoch haben Monde weniger Masse als Planeten, Planeten weniger als Sterne und Sterne weniger als Galaxien – daher nehmen die Gravitationseinflüsse dieser Himmelskörper entsprechend zu.
Einsteins Gravitationstheorie war so etwas wie ein Nachfolger der Newtonschen Theorie, obwohl letztere auf terrestrischen Maßstäben immer noch recht gut funktioniert und genau genug ist, um Raketen zum Mond zu bringen. Doch Einsteins Theorie könnte Dinge erklären, die Newtons nicht erklären konnte, wie zum Beispiel die eigenartige Umlaufbahn von Merkur um die Sonne.
Newton war es nicht gerade falsch über die Schwerkraft – er lag einfach nicht richtig auf der Skala von Planeten, Sternen und Galaxien.
Ist die Allgemeine Relativitätstheorie jedoch falsch?
Nun ja, wahrscheinlich nicht. Als Theorie war sie zu genau bei der Vorhersage von Aspekten des Universums, von denen wir nichts wussten. Beispielsweise wurde das erste Bild eines Schwarzen Lochs, das vom Event Horizon Telescope aufgenommen wurde, im April 2019 der Öffentlichkeit zugänglich gemacht. Dieses Bild war irgendwie schockierend, weil das Aussehen des supermassereichen Schwarzen Lochs M87* den Vorhersagen der Allgemeinen Relativitätstheorie sehr ähnelte.
Wissenschaftler sind sich jedoch bewusst, dass es einige Probleme mit der Allgemeinen Relativitätstheorie gibt, die möglicherweise eine eventuelle Überarbeitung erfordern. Beispielsweise lässt sich die Theorie nicht mit der Quantenmechanik vereinen; die beste Beschreibung, die wir für die Physik auf grundlegenden Ebenen haben, die kleiner als das Atom sind. Das liegt vor allem daran, dass es derzeit keine Quantentheorie zur Beschreibung der Schwerkraft gibt.
Es scheint also, dass Anpassungen der allgemeinen Relativitätstheorie irgendwann unvermeidlich erscheinen, um ihre Reichweite auf die kleinsten Maßstäbe des Universums auszudehnen – und laut diesem Team die größten Maßstäbe.
Seit Jahrzehnten versuchen Forscher, ein mathematisches Modell zu erstellen, das der Allgemeinen Relativitätstheorie hilft, ihre Inkonsistenzen zu überwinden, und angewandte Mathematiker und Astrophysiker der University of Waterloo haben sich intensiv mit dieser Suche beschäftigt.
Allgemeine Relativitätstheorie ändern? Was!
Wenn die Idee, die allgemeine Relativitätstheorie zu revidieren, einer Ketzerei gleichkommt, bedenken Sie, dass dies nicht das erste Mal wäre, dass die damit verbundenen Theorien angepasst werden müssten.
Kurz nachdem Einstein die Theorie erstmals vorgestellt hatte, erweiterten er und andere sie und entwickelten eine Gleichung zur Beschreibung des Zustands des Universums. Aufgrund der allgemeinen Relativitätstheorie sagte diese Gleichung voraus, dass sich das Universum verändern sollte. Das Problem dabei war der damalige wissenschaftliche Konsens, dass das Universum statisch sei. Und obwohl Einstein kein Unbekannter darin war, den Status quo ins Wanken zu bringen, stimmte er zufällig mit diesem sich nicht verändernden kosmischen Bild überein.
Um sicherzustellen, dass die Allgemeine Relativitätstheorie ein statisches Universum vorhersagte, fügte Einstein einen „Fudge-Faktor“ hinzu, den er später als seinen „größten Fehler“ bezeichnete. Dieser ist als kosmologische Konstante bekannt und wird durch den griechischen Buchstaben Lambda dargestellt. Die Konstante würde aus dem Denken verschwinden, als Edwin Hubble Einstein davon überzeugte, dass das Universum nicht statisch ist. Es expandiert, argumentierte er. Und soweit wir heute wissen, hatte Hubble tatsächlich Recht.
Lambda würde jedoch tatsächlich ein Comeback feiern. Eine andere Funktion sollte es Ende des 20. Jahrhunderts erfüllen, als Astronomen entdeckten, dass sich das Universum nicht nur ausdehnt, sondern dies auch mit zunehmender Geschwindigkeit.
„Vor fast einem Jahrhundert entdeckten Astronomen, dass sich unser Universum ausdehnt“, sagte Niayesh Afsharid, Professor für Astrophysik an der University of Waterloo und Forscher am Perimeter Institute, in der Erklärung. „Je weiter Galaxien entfernt sind, desto schneller bewegen sie sich, bis hin zu dem Punkt, dass sie sich scheinbar mit nahezu Lichtgeschwindigkeit bewegen, dem Maximum, das Einsteins Theorie zulässt. Unsere Ergebnisse legen nahe, dass Einsteins Theorie in genau diesen Maßstäben dies auch tun könnte.“ unzureichend sein.“
Die vom Team der University of Waterloo vorgeschlagene „kosmische Störung“ verändert die Schwerkraft in großen Entfernungen und erweitert Einsteins mathematische Formeln, um dieses Problem anzugehen, ohne die Theorie „umzuwerfen“.
„Betrachten Sie es als eine Fußnote zu Einsteins Theorie“, sagte Wen. „Sobald Sie eine kosmische Skala erreicht haben, gelten die Allgemeinen Geschäftsbedingungen.“
Die Forscher hinter dieser kosmischen Glitch-Theorie schlagen vor, dass zukünftige Beobachtungen der großräumigen Struktur des Universums und eines universellen „fossilen“ Strahlungsfelds namens „Kosmischer Mikrowellenhintergrund“ (Cosmic Microwave Background, CMB) von einem Ereignis, das sich kurz nach dem Urknall ereignete, Licht ins Dunkel bringen könnten darüber, ob eine kosmische Schwerkraftstörung für die aktuellen „kosmischen Spannungen“ verantwortlich ist.
Dies könnte darin liegen, dass die Quantentheorie einen Wert für Lambda angibt, der um einen erstaunlichen Faktor von 10¹²¹ (10 gefolgt von 120 Nullen) größer ist, als astronomische Beobachtungen zu zeigen scheinen (kein Wunder, dass einige Physiker ihn als „die schlechteste theoretische Vorhersage in der Geschichte“ bezeichnen). Physik!”).
„Dieses neue Modell könnte der erste Hinweis in einem kosmischen Rätsel sein, das wir über Raum und Zeit hinweg zu lösen beginnen“, schloss Afshordi.
Die Teamforschung erscheint im Journal of Cosmology and Astroparticle Physics.