Ogólna teoria względności opracowana przez Alberta Einsteina zakłada, że każda masa zakrzywia czasoprzestrzeń. Powoduje w niej „wgłębienie” – rozciągając i przestrzeń, i czas. To dlatego w pobliżu masywnych obiektów czas płynie wolniej.

Ogólną teorię względności poddawano wielu testom. Niedawno badacze z Instytutu Astrofizyki Uniwersytetu Colorado w Boulder dokonali niezmiernie precyzyjnego pomiaru. Atomowe zegary zbudowane ze 100 tysięcy atomów strontu były w stanie zmierzyć wpływ różnicy jednego milimetra odległości od powierzchni Ziemi – a więc siły ziemskiej grawitacji – na upływ czasu.

Teorię względności poddawano jednak wcześniej wielu testom. Każdy z nich zdawała bez zarzutu. Jest najlepszą teorią, która pasuje do obserwacji kosmosu – przynajmniej do pewnej skali.

Zapomniana teoria Einsteina, czyli jak masa skręca przestrzeń

Mało kto wie, ale Einstein pracował też nad nieco innym matematycznym opisem kosmosu. Chciał opisać, jak masa nie zakrzywia czasoprzestrzeni, lecz ją skręca. Czasoprzestrzeń wokół masywnych ciał powinna więc nie tylko się uginać, ale i wirować. Przypominałoby to nieco atmosferyczny niż, wokół którego wiruje powietrze. Einstein nazwał tę teorię teleparalelizmem.

Takie skręcanie czasoprzestrzeni przez masę tłumaczyłby nie tylko grawitację, ale i elektromagnetyzm. Teleparalelizm byłby „jednolitą teorią pola” - zwaną też Teorią Wszystkiego - poszukiwaną przez fizyków, która ma w jednym modelu wyjaśnić działanie wszystkich sił we Wszechświecie.

Einstein opublikował swoją pracę w 1928 roku. Uwzględnił jednak w niej tylko grawitację. Elektromagnetyzm okazał się być zbyt trudny do opisania za pomocą równań opisujących skręcanie czasoprzestrzeni. Ta teoria Einsteina została w dużej mierze zapomniana.

Czego nie potrafi wyjaśnić fizyka, czyli cztery wielkie zagadki Wszechświata

A szkoda, bo teoria ta wytłumaczyłaby pięć różnych paradoksów, których nie potrafi wyjaśnić dzisiejsza fizyka.

  1. Problem prędkości obrotów galaktyk. W latach 70. ubiegłego wieku zaobserwowano, że materii widocznej w galaktykach jest zbyt mało, by nie rozpadały się pod wpływem siły odśrodkowej. Żeby ten paradoks rozwiązać, fizycy postulują istnienie „ciemnej materii”, która musiałaby stanowić nawet 80 proc. masy we Wszechświecie. Takie cząstki musiałyby oddziaływać z „normalną” materią tylko poprzez grawitację, a więc byłyby bardzo trudne do wykrycia. Do tej pory nie natrafiono na ich ślady.
  2. Kosmos w największej skali wydaje się jednorodny. To mało prawdopodobne, jeśli powstał z przypadkowego i chaotycznego stanu – a fizycy nie mają podstaw, by sądzić, że było inaczej. Żeby to wyjaśnić, postulują zjawisko „kosmicznej inflacji”, która w początkach istnienia Wszechświata rozdęłaby go tak szybko, ze „rozprasowałaby” ewentualne niejednorodności.
  3. Pod koniec ubiegłego stulecia odkryto, że Wszechświat nie tylko się rozszerza, ale też tempo tego rozszerzania się rośnie. Nie ma żadnego wyraźnego powodu, dla którego miałoby być coraz szybsze, więc fizycy postulują istnienie „ciemnej energii”, która by to wyjaśniała. Nie wiadomo, czym taka energia mogłaby być.
  4. W miarę udoskonalania techniki pomiarów dwa różne sposoby pomiaru rozszerzania się Wszechświata, czyli ucieczek galaktyk, zaczęły się „rozjeżdżać”. Metoda oparta na analizie mikrofalowego promieniowania tła pozostałego po Wielkim Wybuchu daje wyniki średnio 10 procent niższe niż metoda polegająca na obserwacji gwiazd supernowych.

Teoria, która tłumaczy cztery paradoksy

Teoria teleparalelizmu, która opisuje skręcanie czasoprzestrzeni przez masę, nie wymaga istnienia ciemnej materii i ciemnej energii. Rozwiązuje też problem różnych prędkości rozszerzania się Wszechświata. Kosmiczna inflacja w takich opisach również ma naturalne wytłumaczenie. Po prostu siła grawitacji inaczej odkształca czas i przestrzeń, niż dziś to zakładamy.

Z matematycznego punktu widzenia łatwiej zresztą jest opisać, jak materia i energia poddaje się skręcaniu niż zakrzywianiu czasoprzestrzeni. Na niewielkich odległościach różnica między tymi dwoma opisami jest zaniedbywalna. Zaczyna być jednak widoczna w skali dużo większej niż Układ Słoneczny – dokładnie tam, gdzie współczesna fizyka napotyka największe problemy.

W 2018 roku fizycy z National Institute for Space Research w Sao Paulo obliczyli, że skręcanie czasoprzestrzeni przez masę, czyli teleparalelizm, wyjaśniałoby problem różnych pomiarów prędkości ucieczek galaktyk. Uwzględnienie tego w równaniach sprawiło, że pomiary z obserwacji gwiazd supernowych i mikrofalowego promieniowania tła zaczęły się ze sobą zgadzać.

Czy teorię względności da się podważyć?

W niewielkiej skali ogólna teoria względności, która zakłada, że masa tylko zakrzywia czasoprzestrzeń, sprawdza się bardzo dobrze. Ale być może nadal niewystarczająco dokładnie to badamy. Stąd w 2014 roku powstał pomysł, by na pokładzie satelity STEP (Satellite Test of the Equivalence Principle) zbadać ogólna teorię względności z dokładnością do jednej części na trylion (najdokładniejsze pomiary osiągały dotychczas precyzję jednej bilionowej).

Pomysł zasadza się na tym, że podstawą teorii względności jest równoważność masy grawitacyjnej i bezwładnej. Siły bezwładności (podczas przyspieszania) i siły grawitacyjne działają na ciała w ten sam sposób. Z tego powodu nie da się odróżnić, czy winda unosi się w stanie nieważkości, czy swobodnie spada.

Nie ma żadnego szczególnego powodu, dla którego tak musi być – prawa fizyki nie zabraniają, by obie te masy były różne. Jeśli dokładniejsze pomiary wykażą, że jednak istnieje niewielka różnica między działaniem grawitacji i przyspieszenia na taką samą masę, ogólna teorie względności będzie wymagać modyfikacji. Jeśli tak się stanie, to jest alternatywa – wysunięta przez Einsteina. To skręcanie czasoprzestrzeni przez masę, czyli teleparalelizm.

Może się jednak okazać, że ogólną teorię względności można testować tylko w kosmicznych skalach. Tak czy inaczej, zagadki ciemnej materii i energii, inflacji i różnych prędkości rozszerzania się Wszechświata trzeba będzie w końcu wyjaśnić.

Źródła: Univeristy of Colorado, New Scientist.