Objavljena 1915. godine, Einsteinova teorija opće relativnosti (GR) prošla je svoj prvi veliki test samo nekoliko godina kasnije, kada je za vrijeme pomračenja Sunca 1919. godine primijećeno gravitacijsko odstupanje svjetlosti koje prolazi blizu Sunca.
1960. godine GR je prošao svoj prvi veliki test u laboratoriju, ovdje na Zemlji; eksperiment Pound-Rebka. I tijekom devet desetljeća od svog objavljivanja, GR je prošao test nakon ispitivanja, uvijek s letećim bojama (pogledajte ovaj pregled kako biste dobili izvrstan sažetak).
Ali testovi su uvijek bili u Sunčevom sustavu ili na neki drugi način neizravni.
Sada je tim predvođen znanstvenicima sa sveučilišta Princeton testirao GR kako bi utvrdio je li to istinito i na kozmičkim mjerilima. Nakon dvije godine analize astronomskih podataka, znanstvenici su zaključili da Einsteinova teorija funkcionira podjednako na velikim udaljenostima kao iu većini lokalnih regija.
Znanstvena analiza više od 70.000 galaksija pokazuje da se svemir - barem na udaljenosti od Zemlje od 3,5 milijardi svjetlosnih godina - igra po pravilima koja je Einstein postavio u svojoj čuvenoj teoriji. Dok je znanstvena zajednica GR prihvatila više od devet desetljeća, do sada nitko nije tako temeljito i robusno testirao teoriju na daljinama i ljestvicama koje nadilaze put Sunčevog sustava.
Reinabelle Reyes, diplomirana studentica Princetona na Odjelu za astrofizičke znanosti, zajedno s koautorima Rachel Mandelbaum, izvanrednim istraživačem, i Jamesom Gunnom, profesorom astronomije Eugene Higgins, iznijeli su njihovu procjenu u izdanju Nature, objavljenom 11. ožujka.
Ostali znanstvenici koji surađuju na radu uključuju Tobiasa Baldaufa, Lucasa Lombrisera i Roberta Smitha sa Sveučilišta u Zürichu i Uroša Seljaka sa Sveučilišta u Kaliforniji-Berkeley.
Rezultati su važni, rekli su, jer prikazuju trenutne teorije koje objašnjavaju oblik i smjer svemira, uključujući ideje o tamnoj energiji, i razilaze neke nagovještaje iz drugih nedavnih eksperimenata da opća relativnost možda nije u pravu.
"Sve naše ideje iz astronomije temelje se na zaista ogromnoj ekstrapolaciji, tako da je sve što možemo učiniti da vidimo je li to ispravno ili ne na ovim mjerilima samo izuzetno važno", rekao je Gunn. "To dodaje još jednu ciglu u temelj koji je temelj onoga što radimo."
GR je jedna, dvije, srž teorije koja stoji u osnovi svih suvremenih astrofizike i kozmologije (druga je Standardni model fizike čestica, kvantna teorija); objašnjava sve, od crnih rupa do Velikog praska.
Posljednjih godina predloženo je nekoliko alternativa općoj relativnosti. Te modificirane teorije gravitacije odstupaju od opće relativnosti na velikim mjerilima kako bi se zaobišla potreba za tamnom energijom, tamnom materijom ili oboje. Ali budući da su te teorije dizajnirane da odgovaraju predviđanjima opće relativnosti o povijesti širenja svemira, čimbeniku koji je ključan za trenutni kosmološki rad, postalo je presudno znati koja je teorija ispravna ili barem predstavlja stvarnost kao najbolju može se aproksimirati.
"Znali smo da moramo sagledati sveobuhvatnu strukturu svemira i rast manjih struktura koje ga sastavljaju s vremenom kako bismo to otkrili", rekao je Reyes. Tim je koristio podatke iz Sloan Digital Sky Survey (SDSS), dugoročnog multi-institucijskog projekta teleskopa koji preslikava nebo za određivanje položaja i svjetline nekoliko stotina milijuna galaksija i kvazara.
Proračunavanjem grupiranja ovih galaksija koje se protežu na gotovo trećini puta do ruba svemira i analizom njihovih brzina i izobličenja iz materijala koji intervenira - zbog slabog leća, prvenstveno tamne materije - istraživači su pokazali da su Einsteinovi teorija objašnjava obližnji svemir bolje od alternativnih teorija gravitacije.
Znanstvenici iz Princetona proučavali su utjecaje gravitacije na SDSS galaksije i grozdove galaksija tokom dužih vremenskih razdoblja. Promatrali su kako ta temeljna sila pokreće galaksije da se spoji u veće kolekcije galaksija i kako oblikuje širenje svemira.
Kritički, budući da relativnost zahtijeva da zakrivljenost prostora bude jednaka zakrivljenosti vremena, istraživači su mogli izračunati da li su obje utjecale na svjetlost u jednakim količinama, kao što bi trebalo biti ako je opća relativnost istinita.
"Ovo je prvi put da se ovaj test uopće vrši, tako da je to dokaz koncepta", rekao je Mandelbaum. "Postoje i druga astronomska istraživanja planirana u narednih nekoliko godina. Sada kada znamo da ovaj test funkcionira, moći ćemo ga koristiti s boljim podacima koji će uskoro biti dostupni za strože ograničenje teorije gravitacije. "
Jačanje prediktivnih moći GR-a može pomoći naučnicima da bolje razumiju imaju li smisla trenutni svemir, rekli su znanstvenici.
"Svaki test koji možemo napraviti u izgradnji našeg samopouzdanja u primjeni ovih vrlo lijepih teorijskih stvari, ali koje nisu testirane na ovim mjerilima, vrlo je važan", rekao je Gunn. "To sigurno pomaže kada pokušavate učiniti složene stvari kako biste razumjeli osnove. A to je vrlo, vrlo, vrlo temeljna stvar. "
"Lijepo što idemo na kozmološku ljestvicu je što možemo testirati bilo koju potpunu, alternativnu teoriju gravitacije, jer ona treba predvidjeti ono što promatramo", rekao je koautor Uros Seljak, profesor fizike i astronomije na UC Berkeley i fakultetski znanstvenik u Nacionalnom laboratoriju Lawrencea Berkeleyja koji je trenutno na dopustu na Institutu za teorijsku fiziku na Sveučilištu u Zürichu. "One alternativne teorije koje ne zahtijevaju tamnu tvar propadaju ove testove."
Izvori: „Printonski naučnici kažu da se Einsteinova teorija primjenjuje izvan Sunčevog sustava“ (Sveučilište Princeton), „Studija potvrđuje opću relativnost u kozmičkom razmjeru, postojanje tamne materije“ (University of California Berkeley), „Potvrda opće relativnosti na velikim skalama od slabih leće i brzine galaksije "(priroda, pretisak arXiv)
