Modifizierte Schwerkraft

Modifizierte Schwerkraft bezieht sich auf Theorien, die Einsteins verändern oder erweitern Allgemeine Relativitätstheorie – unsere Standardbeschreibung der Schwerkraft – um Rätsel zu erklären, die die allgemeine Relativitätstheorie in Kombination mit bekannter Materie nicht einfach lösen kann. Die Allgemeine Relativitätstheorie hat seit über einem Jahrhundert jeden Präzisionstest bestanden, daher ist eine Änderung nicht leichtfertig. Aber zwei der größten Rätsel der Physik sind der Grund für diese Bemühungen.

Warum eine erfolgreiche Theorie ändern?

Die erste Motivation ist die kosmische Beschleunigung. Die Expansion des Universums beschleunigt sich, was normalerweise zugeschrieben wird dunkle Energie. Eine Alternative besteht darin, dass sich die Schwerkraft selbst auf den größten Skalen anders verhält und eine Beschleunigung ohne neue Energiekomponente erzeugt. Die zweite Motivation ist die Rotation von Galaxien, die normalerweise mit erklärt wird dunkle Materie; Einige Theorien modifizieren stattdessen die Funktionsweise der Schwerkraft bei niedrigen Beschleunigungen. Eine tiefere Motivation ist die Suche nach Quantengravitation, wo Erweiterungen zu Einsteins Gleichungen auf natürliche Weise entstehen.

Gängige Modifikationsarten

Die meisten Theorien der modifizierten Gravitation fügen der Allgemeinen Relativitätstheorie auf kontrollierte Weise neue Elemente hinzu. Skalar-Tensor-Theorien Fügen Sie neben der Raumzeitgeometrie ein zusätzliches Feld hinzu, sodass die Stärke der Schwerkraft räumlich und zeitlich variieren kann. f(R) Schwerkraft verallgemeinert die Gleichung, die Krümmung mit Energie verknüpft. Gauss–Bonnet und höherdimensionale Theorien fügen zusätzliche Krümmungsterme hinzu, die in starken Feldern oder zusätzlichen Dimensionen wichtig werden. Jedes muss in den Regimen, in denen es getestet wurde – wie etwa im Sonnensystem – auf die gewöhnliche allgemeine Relativitätstheorie reduziert werden, während es sich anderswo unterscheidet.

Wie die modifizierte Schwerkraft getestet wird

Die Stärke der Allgemeinen Relativitätstheorie besteht darin, dass sie scharfe Vorhersagen macht und jede Modifikation mit ihnen übereinstimmen muss. Zu den Tests gehören die präzisen Umlaufbahnen von Planeten und binären Pulsaren, die Lichtbeugung durch Galaxien (Gravitationslinseneffekt) und die Geschwindigkeit von Gravitationswellen – im Jahr 2017 gemessen, um die Lichtgeschwindigkeit mit außergewöhnlicher Präzision zu erreichen, was viele Vorschläge auf einen Schlag ausschloss – und das detaillierte Muster der kosmischen Struktur. Jede neue Beobachtung verengt das Feld der realisierbaren Alternativen.

Ein häufiges Missverständnis

Die modifizierte Schwerkraft ist keine Ablehnung Einsteins. Jede ernsthafte Theorie ist darauf ausgelegt, die allgemeine Relativitätstheorie dort zu reproduzieren, wo sie bestätigt wurde, und sich nur in unerprobten Bereichen zu unterscheiden – dem sehr frühen Universum, den größten kosmischen Maßstäben oder den stärksten Gravitationsfeldern. Das Ziel besteht nicht darin, Einstein zu stürzen, sondern herauszufinden, wo, wenn überhaupt, seine Theorie endet.