Искажения пространства-времени могут подвергнуть теорию относительности окончательной проверке

Вскоре ученые смогут проверить общую теорию относительности Эйнштейна, измерив искажение времени. Согласно новому исследованию, опубликованному 22 июня в журнале Nature Astronomy, недавно предложенный метод превращает границу пространства и времени в огромную космическую лабораторию для изучения того, может ли общая теория относительности объяснить темную материю — таинственную, невидимую форму материи, которая может только следует из его гравитационного влияния на видимую материю и энергию Вселенной, а также из-за ускоряющегося расширения Вселенной из-за темной энергии. По словам авторов исследования, метод готов к тестированию в будущих исследованиях глубин Вселенной.

Общая теория относительности утверждает, что гравитация является результатом искривления массой ткани пространства и времени, которую Эйнштейн объединил в четырехмерную сущность, называемую пространством-временем. Согласно теории относительности, время течет медленнее вблизи массивного объекта, чем в безмассовом вакууме.

Это изменение течения времени называется искажением времени. С момента своего появления в 1915 году общая теория относительности подвергалась обширным проверкам и стала нашим лучшим описанием гравитации в огромных масштабах. Но ученые еще не уверены, может ли это объяснить невидимую темную материю и темную энергию, которые вместе составляют около 95% энергии и материи во Вселенной.

«Искажение времени, предсказанное общей теорией относительности, уже было очень точно измерено на малых расстояниях», — сообщила Live Science по электронной почте Камилла Бонвен, ведущий автор исследования и доцент Женевского университета.

«Это было измерено для самолетов, летающих вокруг Земли, для звезд в нашей галактике, а также для скоплений галактик. Мы предлагаем метод измерения искажения времени на очень больших расстояниях». Метод предлагает проверить искажение времени путем измерения красного смещения, изменения частоты света, излучаемого объектом по мере его удаления от нас.

Бонвин сказал, что разница здесь в том, что этот метод измеряет красное смещение, вызванное попытками света выбраться из гравитационного колодца, «вмятины» в пространстве-времени, созданной массивным объектом.

«Это восхождение изменяет частоту света, потому что время течет с разной скоростью внутри и снаружи гравитационного колодца», — сказала она. «Как следствие, цвет света меняется, он становится красным… Измеряя гравитационное красное смещение, мы получаем измерение искажения времени».

Время проверить общую теорию относительности

Искажение времени предполагает, что время в нашей Вселенной не является абсолютным, а скорее течет с различной скоростью в зависимости от гравитационных полей. Эта идея не является исключительной для общей теории относительности.

«Искажение времени существует во всех современных теориях гравитации, — сказал Бонвен. «Однако амплитуда искажения времени» — «насколько присутствие массивного объекта замедляет время» — варьируется от теории к теории».

В общей теории относительности искажения времени и пространства предсказываются одинаковыми; в других теориях гравитации это не всегда так. Это означает, что, измеряя искажение времени и сравнивая его с искажением пространства, физики могут проверить справедливость общей теории относительности.

Новый метод команды может также проверить другую ведущую теорию космоса: формулу Эйлера, которую астрономы используют для расчета движения галактик. В частности, предложенное командой измерение искажения времени может доказать, подчиняется ли темная материя уравнению Эйлера, как предполагалось в предыдущих исследованиях искажения времени.

Метод команды может быть использован в будущих миссиях, включая телескоп Euclid Европейского космического агентства, который должен быть запущен в июле, и Spectroscopic Instrument Dark Energy, который уже три года проводит пятилетнее исследование Вселенной. «По данным этих опросов можно будет измерить искажение времени», — сказал Бонвен.

«Это очень интересно, потому что впервые мы сможем сравнить искажение времени с искажением пространства, чтобы проверить, верна ли общая теория относительности, а также мы сможем сравнить искажение времени со скоростью галактик, чтобы увидеть, справедливо ли уравнение Эйлера. С помощью одного нового измерения мы сможем проверить два фундаментальных закона».