Teoria relativitatiiTeoria relativităţii generale a lui Einstein a trecut toate testele la care a fost supusă. Cu toate acestea, există cel puţin patru motive să credem că teoria este incompletă şi că va trebui eventual reconsiderată, în acelaşi mod în care a fost răsturnată cea a lui Newton.

 

 

 

Einstein şi spaţiu-timpul (2)

O muncă neterminată

În primul rând, teoria relativităţii generale prezice propriul său deces; ea se prăbuşeşte în singularităţi, regiuni în care curbura spaţiu-timpului devine infinită şi ecuaţiile câmpului nu mai pot fi aplicate. Acestea nu pot fi respinse ca simple curiozităţi academice, deoarece ele apar evident în universul real, dacă apelăm la relativitatea generală. Lucrările teoretice ale lui Stephen Hawking şi alţii au dovedit că singularităţile trebuie să se formeze într-un timp finit (universul este în mod necesar „geodezic incomplet”), plecând doar de la presupuneri foarte generale, cum ar fi pozitivitatea energiei. Cele două locuri unde ne aşteptăm să le găsim sunt la Big-Bang şi în interiorul găurilor negre, cum ar fi cea din centrul Căii Lactee. Dacă vrem să înţelegem pe deplin aceste fenomene, atunci relativitatea generală trebuie fie modificată, fie extinsă într-un fel.

Miscarea lui SgrA

Mişcarea unei stele în jurul centrului unei galaxii, demonstrând că Sagittarius A* este o gaură neagră (adaptat după Schödel şi alţii, Nature, 17 Oct 2002).

În al doilea rând există problema cosmologiei. În conformitate cu ipotezele rezonabile că universul este omogen şi izotrop pe scară largă (acelaşi în toate locurile şi în toate direcţiile), aşa cum sugerează observaţiile în combinaţie cu principiul lui Copernic, relativitatea generală a dus la crearea unei teorii cosmologice, cunoscută că teoria Big Bang-ului. Această teorie a avut câteva succese spectaculoase; de exemplu, predicţia radiaţiei cosmice de fond de microunde, calculul abundenţei elementelor uşoare şi o bază pentru înţelegerea originii structurii Universului. Ea are, de asemenea, câteva puncte slabe, legate în special de reglajul fin al condiţiilor iniţiale („planeitatea” şi „problema orizontului”).



Roiul CL 0024+1654

Galaxia din fundal (albastru) supusă efectului de „lentilă gravitaţională” datorită materiei întunecate din roiul din prim-plan CL 0024+1654 (galben) (imagine transmisă de telescopul spaţial Hubble).

Mai deranjant, în ultimele decenii a devenit imposibil de potrivit predicţiile cosmologiei Big Bang-ului cu observaţiile experimentale, cu excepţia cazului în care densitatea mică a materiei observate în univers (adică aceea care poate fi observată prin absorbţia sau emisia de lumină ori dedusă în acord cu sinteza elementelor uşoare) este suplimentată de cantităţi mult mai mari de materie întunecată şi energie întunecată, invizibile, care nu pot consta din nimic conform Modelului Standard al fizicii particulelor. Observaţiile sunt foarte clare: exotica materie întunecată are o densitate de aproximativ cinci ori mai mare decât materia din Modelul Standard şi energia întunecată are o densitate de energie încă de aproximativ trei ori mai mare. Până în prezent nu există nicio dovadă experimentală directă pentru existenţa fiecăreia din aceste componente şi sunt motive teoretice serioase („problema constantei cosmologice”) pentru a fi suspicioşi în special în privinţa energiei întunecate. De asemenea, nu există nicio explicaţie convingătoare de ce două forme noi şi încă neobservate ale materiei-energiei au densităţi de energie cu valori atât de apropiate („problema coincidenţei”). În timp ce majoritatea cosmologilor par pregătiţi să accepte atât materia întunecată, cât şi energia întunecată, dacă este necesar, alţii au început să le interpreteze ca o posibilă dovadă a colapsului relativităţii generale la distanţe mari şi/sau acceleraţii mici.

În al treilea rând, testele existente pentru relativitatea generală au fost restricţionate la câmpuri gravitaţionale slabe (sau la cele moderate, în cazul pulsarilor binari). Surprizele majore în acest regim ar fi fost de mirare, din moment ce teoria lui Einstein merge mai departe de limita câmpului slab al lui Newton şi noi ştim că gravitaţia newtoniană funcţionează destul de bine. Dar surprizele sunt chiar posibile şi probabile, în regim de câmp puternic. Motivul este strâns legat de motivaţia a patra pentru continuarea testării teoriei lui Einstein: relativitatea generală, în forma sa actuală, este incompatibilă cu restul fizicii (ca de exemplu „Modelul Standard” bazat pe teoria cuantică a câmpului). Problema se datorează doar parţial faptului că câmpul gravitaţional poartă energie şi astfel „se atrage pe sine însuşi”; aceasta face teoria neliniară şi mai dificilă, dar nu neapărat imposibil de cuantificat (câmpurile Yang-Mills posedă de asemenea auto-cuplaje, dar sunt perfect cuantificabile). Problema mai profundă nu este atât neliniaritatea, cât nerenormalizabilitatea, care este inerentă în dimensionalitatea fizică a gravitaţiei în sine (de exemplu, în faptul că câmpul gravitaţional cuplează cu masa mai degrabă decât cu oricare alt tip de „sarcină”). În limbajul teoriei câmpurilor, cuantificarea gravitaţiei necesită un număr infinit de parametri renormalizaţi. Este larg acceptat că actuala noastră teorie a gravitaţiei şi/sau a altor interacţiuni sunt doar aproximări ale unor „teorii efective ale câmpului” care pot fi considerate în cele din urmă ca fiind cazurile limită ale unei teorii unificate, în care toate cele patru forţe devin comparabile în putere la energii foarte mari. Dar nu există consens dacă relativitatea generală ori fizica particulelor - ori amândouă - trebuie modificate, ca să nu mai vorbim în ce mod. Inputul experimental poate fi singurul nostru ghid pentru unificare, ultima problemă de mare importanţă rămasă în fizica teoretică.

Relativitatea. Principiul echivalenţei (4)

Traducere după Testing Einstein's, cu acordul autorului.
Traducerea: Mircea Ştefan Moldovan