نظریه نسبیت اینشتین به مشکل جدی خورده است!

نظریه نسبیت اینشتین توانست به‌خوبی ساختار جهان را توضیح دهد و حتی وجود سیاه چاله را پیش‌بینی کند. هرچند که مشاهدات جدید اخترشناسان سبب شده که نظریه نسبیت اینشتین با مشکل جدی مواجه شود.

در طول صد سال گذشته پژوهش‌های مختلفی در ارتباط با نظریه نسبیت اینشتین انجام شده است و همگی ثابت کرده‌اند که این نظریه مشکل خاصی ندارد. هرچند به‌لطف مجهز شدن دانشمندان به فناوری‌های قوی‌تر و پیچیده‌تر، ما می‌توانیم جهان اطراف خود را با جزئیات بی‌سابقه‌ای مشاهده کنیم. همین نیز سبب شده پدیده‌هایی را ببینیم که با نظریه نسبیت اینشتین قابل توضیح نیستند.

یک مشکل کوچک نظریه نسبیت اینشتین را در لبه پرتگاه قرار داده است

بر اساس نظریه اینشتین خم شدن بافت فضا-زمان عامل ایجاد نیروی جاذبه است. اما وقتی به بررسی خوشه‌های کهکشانی با عرض میلیاردها سال نوری می‌پردازیم، یک مشکل مهم در نظریه نسبیت اینشتین ایجاد می‌شود. اینگونه به‌نظر می‌‌رسد که گرانش با محاسبات دانشمند مشهور همخوانی ندارد. اخیرا تیمی از دانشمندان دانشگاه بریتیش کلمبیا و واترلو در کنار هم جمع شده‌اند تا این مسئله را حل کنند. مشکل عجیبی که از آن با نام ارور کیهانی یاد می‌شود.

بر اساس مقاله جدید منتشر شده در مجله Cosmology and Astroparticle Physics، گرانش در مقیاس فوق‌العاده بزرگ یک درصد ضعیف‌تر می‌شود. در صورتی که اگر مشکل خاصی در نظریه نسبیت اینشتین وجود نداشت، قدرت گرانش نباید با افزایش مقیاس کاهش می‌یافت. البته دانشمندان به این راحتی نمي‌توانند نظریه نسبیت را کنار بگذارند؛ زیرا برای توضیح شرایط جهان در مقیاس‌‌های کم‌تر از خوشه‌های کهکشانی به‌شکلی باورنکردنی دقیق است.

اختلاف پدید آمده سبب نمی‌شود که نظم جهان به‌هم بریزد. مثلا دستگاه‌های مجهز به GPS دیگر کار نکنند و یا اینکه ماهیت سیاه چاله زیر سوال برود. هرچند باید مسئله بررسی شود. در واقع اگر ارور کیهانی واقعا وجود داشته باشد، می‌تواند بسیاری از اسرار مربوط به کیهان را توضیح دهد. اما چطور مشکل مربوط به نظریه نسبیت اینشتین آشکار شد؟

حل مشکل نرخ گسترش جهان

تیم پژوهشی در حال بررسی داده‌های مربوط به تابش پس‌زمینه کیهانی بودند که ناگهان به این مسئله پی بردند. تاپش‌ پس‌زمینه کیهان (CMB) انرژی و تشعشعات باقی‌مانده پس از مه‌بانگ است. دانشمندان می‌توانند با بررسی CMB به ماهیت جهان در مراحل اولیه شکل‌گیری پی ببرند. مثلا اینکه دقیقا پس از مه‌بانگ چه اتفاقاتی رخ داد و یا اینکه اولین کهکشان‌ها چطور شکل گرفتند.

به‌همین‌خاطر پژوهشگران ابتدا مدلی را بر اساس قوانین پایه‌ای فیزیک همچون نظریه نسبیت اینشتین ساختند. در گام بعدی آنها پیش‌بینی مدل از داده‌های CMB را با داده‌های دریافتی از آن مقایسه کردند. چیزی که توسط مدل کیهانی پیش‌بینی شده بود با آنچه در جهان دور می‌بینیم، همخوانی نداشت. هرچند وقتی دانشمندان اندکی نظریه نسبیت اینشتین را دستکاری کردند تا کمبود یک درصدی گرانش را جبران کند، مشکل برطرف شد.

اختلاف یک درصدی در این مقیاس بزرگ شاید چندان مهم به‌نظر نرسد، اما ثابت می‌کند که نظریه نسبیت نیاز به بررسی مجدد دارد. ارور جدید کیهانی همچنین می‌تواند به ما در درک برخی رفتارهای عجیب در بخش‌های مختلف کیهان کمک کند. جهان هستی مملو از مسائل عجیب است. گاهی‌ اوقات دو اندازه‌گیری از یک پدیده یکسان با یکدیگر همخوانی ندارند. یکی از این موارد به مسئله هابل مربوط می‌شود. این معما برای سال‌ها دانشمندان را درگیر خود کرده است.

بر اساس مدل استاندارد فیزیک، نرخ انبساط جهان در تمامی مناطق باید یکسان باشد. هرچند که تاکنون ارقام متفاوتی برای این میزان ثبت شده است. مشاهدات اخترشناسان نشان می‌دهد که نرخ گسترش جهان در مناطق نزدیک به ما بیشتر از مناطق دور است. دانشمندان تاکنون توضیحات مختلفی را برای این مسئله ارائه داده‌اند؛ اما روی هیچکدام از آنها اتفاق نظر وجود ندارد.

هرچند که به‌لطف مشکل نظریه نسبیت اینشتین یک توضیح جدید نیز در برابر دانشمندان قرار گرفته است. اگر ۱ درصد گرانش ضعیف‌تر را در مقیاس بزرگ بپذیریم، نرخ‌های گسترش جهان در مناطق مختلف بسیار نزدیک‌تر خواهند شد. این واقعیت که ارور کیهانی می‌تواند به دانشمندان در مورد نرخ گسترش جهان کمک کند، یک نشانه مثبت است. هرچند نمی‌توان آن را نشانه‌ای قطعی برای وجود گرانش ضعیف‌تر در مقیاس بزرگ دانست.

در واقع هنوز این امکان وجود دارد که نتایج به‌دست آمده صرفا به اشتباهات محاسباتی مربوط باشند. تا ده سال آینده می‌توان با قطعیت گفت که آيا نظریه نسبیت اینشتین مشکل دارد و یا اینکه یک خطای محاسباتی سبب شده این تصور ایجاد شود. هرچند که برخی دانشمندان همین الان نیز به یافته جدید خوش‌بین هستند.

فکر کردن به نظریه‌های هیجان‌انگیز و متفاوت

والریو فارائونی، استاد فیزیک و رئیس دانشکده علوم دانشگاه بیشاپ احتمال وجود مشکل در نظریه نسبیت اینشتین را رد نمی‌کند. وی تاکید می‌کند که تاکنون نظریه نسبیت در مقیاس بزرگ امتحان نشده است، به‌همین‌خاطر نمی‌توان آن را عاری از خطا دانست. شاید هم انسان نمی‌تواند گرانش را در مقیاس بزرگ به‌شکل درست درک کند.

فارائونی بر این بار است که برای برطرف کردن اختلاف بین پیش‌بینی‌ و مشاهدات مستقیم باید کمی بزرگتر فکر کنیم. ارور کیهانی نیز می‌تواند دقیقا در همین‌جا به‌کار آید.

به‌طورکلی اکثر دانشمندان در رابطه با ایده‌های هیجانی و انقلابی بسیار محتاط هستند. آنها تمایل دارند چهارچوب موجود را حفظ کرده و موارد عجیب را نیز اشتباهاتی در محاسبه یا مشاهده بنامند. هرچند که به نظر فرائونی باید با دید باز به این مسئله نگاه کرد. شاید مشکل مربوط به نظریه نسبیت اینشتین در نهایت نوع جهان‌بینی ما را تغییر دهد. ما باید برای ایده‌های کاملا جدید و عجیب آماده باشیم.

گفته می‌شود که تیم پژوهشگران دانشگاه بریتیش کلمبیا و واترلو قصد دارند در گام بعدی خود داده‌های جدید دریافتی از ابزار طیف‌سنجی انرژی تاریک (DESI) را بررسی کنند. دسی تاثیر انرژی تاریک روی نرخ گسترش جهان را بررسی می‌کند و توانسته است بزرگترین نقشه سه‌بعدی از جهان هستی را ارائه دهد. همچنین دسی متوجه شده است که همچون گرانش، انرژی تاریک نیز در مقیاس بزرگ رفتاری متفاوت با پیش‌بینی‌های اخترشناسان دارد.

پژوهشگران می‌خواهند ببینید که آیا این دو ارور کیهانی با همدیگر ارتباط دارند یا خیر. در صورتی که چنین ارتباطی یافت شد، مشکل نظریه نسبیت اینشتین جدی‌تر جلوه خواهد کرد. البته حتی اگر نظریه اینشتین دقیق نباشد، هنوز نظریه‌های جایگزین راه درازی را پیش رو دارند. آنها باید برای موارد بسیار زیادی بررسی شوند تا بتوانند مقبولیت نظریه نسبیت را به‌دست آورند.

بیشتر بخوانید: جیمز وب با قطعیت می‌گوید که تصور ما از جهان اشتباه است قبل از بیگ بنگ چه بوده است؛ چند نظریه که مغز شما را منفجر می‌کند! بزرگ‌ترین نقشه ۳ بعدی فضایی جهان، یک میلیون کهکشان پنهان را به تصویر می‌کشد احتمال دارد کل جهان هستی درون یک سیاه چاله غول‌پیکر باشد بزرگترین عکس های ثبت شده از کیهان را تماشا کنید