आइंस्टीन गलत होंगे, सामान्य सापेक्षता ब्रह्मांड की व्याख्या करने में कैसे विफल

आइंस्टीन का गुरुत्वाकर्षण का सिद्धांत – सामान्य सापेक्षता – एक सदी से भी अधिक समय से बहुत सफल रहा है। हालाँकि, इसमें सैद्धांतिक कमियाँ हैं। यह आश्चर्य की बात नहीं है: सिद्धांत ब्लैक होल के अंदर अंतरिक्ष-समय की विलक्षणताओं और स्वयं बिग बैंग में अपनी विफलता की भविष्यवाणी करता है।

भौतिकी में अन्य तीन मूलभूत शक्तियों – विद्युत चुम्बकीय और मजबूत और कमजोर परमाणु इंटरैक्शन का वर्णन करने वाले भौतिक सिद्धांतों के विपरीत, सापेक्षता के सामान्य सिद्धांत का परीक्षण केवल कमजोर गुरुत्वाकर्षण में किया गया है।

सामान्य सापेक्षता से गुरुत्वाकर्षण के विचलन को किसी भी तरह से बाहर नहीं रखा गया है और न ही ब्रह्मांड में हर जगह इसका परीक्षण किया गया है। और, सैद्धांतिक भौतिकविदों के अनुसार, विचलन अवश्य होना चाहिए।

आइंस्टीन के अनुसार, हमारे ब्रह्मांड की उत्पत्ति एक बिग बैंग से हुई थी। अन्य विलक्षणताएँ ब्लैक होल के अंदर छिपी होती हैं: स्थान और समय का वहाँ कोई अर्थ नहीं रह जाता है, जबकि ऊर्जा घनत्व और दबाव जैसी मात्राएँ अनंत हो जाती हैं। ये संकेत देते हैं कि आइंस्टीन का सिद्धांत वहां विफल हो रहा है और इसे अधिक मौलिक सिद्धांत से प्रतिस्थापित किया जाना चाहिए।

सहजता से, स्पेसटाइम विलक्षणताओं को क्वांटम यांत्रिकी द्वारा हल किया जाना चाहिए, जो बहुत छोटे पैमाने पर लागू होते हैं।

क्वांटम भौतिकी दो सरल विचारों पर निर्भर करती है: बिंदु कणों का कोई मतलब नहीं है; और हाइजेनबर्ग अनिश्चितता सिद्धांत, जो बताता है कि कोई भी मात्राओं के कुछ जोड़े का मूल्य पूर्ण सटीकता के साथ कभी नहीं जान सकता है – उदाहरण के लिए, एक कण की स्थिति और वेग। ऐसा इसलिए है क्योंकि कणों को बिंदु के रूप में नहीं बल्कि तरंगों के रूप में सोचा जाना चाहिए; छोटे पैमाने पर वे पदार्थ की तरंगों की तरह व्यवहार करते हैं।

यह समझने के लिए पर्याप्त है कि एक सिद्धांत जो सामान्य सापेक्षता और क्वांटम भौतिकी दोनों को अपनाता है, उसे ऐसी विकृति से मुक्त होना चाहिए। हालाँकि, सामान्य सापेक्षता और क्वांटम भौतिकी को मिश्रित करने के सभी प्रयास आवश्यक रूप से आइंस्टीन के सिद्धांत से विचलन प्रस्तुत करते हैं।

इसलिए, आइंस्टीन का गुरुत्वाकर्षण गुरुत्वाकर्षण का अंतिम सिद्धांत नहीं हो सकता। दरअसल, 1915 में आइंस्टीन द्वारा सामान्य सापेक्षता की शुरुआत के कुछ समय बाद ही आर्थर एडिंगटन, जो 1919 के सूर्य ग्रहण में इस सिद्धांत को सत्यापित करने के लिए जाने जाते हैं, ने यह देखने के लिए विकल्पों की खोज शुरू कर दी कि चीजें कैसे भिन्न हो सकती हैं।

आइंस्टीन का सिद्धांत आज तक सभी परीक्षणों में खरा उतरा है और बुध की कक्षा की प्रगति से लेकर गुरुत्वाकर्षण तरंगों के अस्तित्व तक के विभिन्न परिणामों की सटीक भविष्यवाणी करता है। तो, सामान्य सापेक्षता से ये विचलन कहाँ छिपे हैं?

एक सदी के शोध ने हमें ब्रह्मांड विज्ञान का मानक मॉडल दिया है जिसे Λ-कोल्ड डार्क मैटर (ΛCDM) मॉडल के रूप में जाना जाता है। यहां, Λ या तो आइंस्टीन के प्रसिद्ध ब्रह्माण्ड संबंधी स्थिरांक या समान गुणों वाली रहस्यमयी डार्क एनर्जी को दर्शाता है।

ब्रह्मांडीय विस्तार के त्वरण को समझाने के लिए खगोलविदों द्वारा डार्क एनर्जी को तदर्थ रूप से पेश किया गया था। हाल तक ब्रह्माण्ड संबंधी डेटा को बहुत अच्छी तरह से फिट करने के बावजूद, ΛCDM मॉडल सैद्धांतिक दृष्टिकोण से शानदार रूप से अधूरा और असंतोषजनक है।

पिछले पांच वर्षों में, इसे गंभीर अवलोकन संबंधी तनावों का भी सामना करना पड़ा है। हबल स्थिरांक, जो ब्रह्मांड में उम्र और दूरी के पैमाने को निर्धारित करता है, प्रारंभिक ब्रह्मांड में ब्रह्मांडीय माइक्रोवेव पृष्ठभूमि का उपयोग करके और बाद के ब्रह्मांड में मानक मोमबत्तियों के रूप में सुपरनोवा का उपयोग करके मापा जा सकता है।

ये दोनों माप असंगत परिणाम देते हैं। इससे भी अधिक महत्वपूर्ण बात यह है कि ΛCDM मॉडल के मुख्य अवयवों की प्रकृति – डार्क एनर्जी, डार्क मैटर और प्रारंभिक ब्रह्मांड मुद्रास्फीति को चलाने वाला क्षेत्र (आकाशगंगाओं और आकाशगंगा समूहों के लिए बीज उत्पन्न करने वाले बेहद तेज विस्तार की एक बहुत ही संक्षिप्त अवधि) – एक रहस्य बना हुआ है।

अवलोकन के दृष्टिकोण से, संशोधित गुरुत्वाकर्षण के लिए सबसे सम्मोहक प्रेरणा 1998 में टाइप Ia सुपरनोवा के साथ खोजे गए ब्रह्मांड का त्वरण है, जिसकी चमक इस त्वरण से कम हो गई है। सामान्य सापेक्षता पर आधारित ΛCDM मॉडल ब्रह्मांड में व्याप्त नकारात्मक दबाव के साथ एक अत्यंत विदेशी डार्क ऊर्जा को दर्शाता है।

समस्या यह है कि इस डार्क एनर्जी का कोई भौतिक औचित्य नहीं है। इसकी प्रकृति पूरी तरह से अज्ञात है, हालांकि ढेर सारे मॉडल प्रस्तावित किए गए हैं। डार्क एनर्जी का प्रस्तावित विकल्प एक ब्रह्माण्ड संबंधी स्थिरांक Λ है, जो क्वांटम-मैकेनिकल बैक-ऑफ-द-लिफाफा (लेकिन संदिग्ध) गणना के अनुसार, बहुत बड़ा होना चाहिए।

हालाँकि, ब्रह्माण्ड संबंधी अवलोकनों में फिट होने के लिए Λ को एक छोटे मूल्य पर अविश्वसनीय रूप से ठीक किया जाना चाहिए। यदि डार्क एनर्जी मौजूद है, तो इसकी प्रकृति के बारे में हमारी अज्ञानता बहुत परेशान करने वाली है।

आइंस्टीन के सिद्धांत के विकल्प
टाइप Ia सुपरनोवा की खोज 1998 में की गई थी, और इससे ब्रह्मांड के त्वरण की दर के बारे में और अधिक पता चला।

टाइप Ia सुपरनोवा की खोज 1998 में की गई थी, और इससे ब्रह्मांड के त्वरण की दर के बारे में और अधिक पता चला। (छवि क्रेडिट: स्लोअन डिजिटल स्काई सर्वे/नासा)
क्या ऐसा हो सकता है कि गलत तरीके से ब्रह्माण्ड विज्ञान को फिट करने की कोशिश करने से परेशानियाँ उत्पन्न हों सामान्य सापेक्षता में अवलोकन, जैसे किसी व्यक्ति को बहुत छोटे पतलून की जोड़ी में फिट करना? हम सामान्य सापेक्षता से पहला विचलन देख रहे हैं जबकि रहस्यमयी डार्क एनर्जी का अस्तित्व ही नहीं है?

नेपल्स विश्वविद्यालय के शोधकर्ताओं द्वारा पहली बार प्रस्तावित इस विचार ने जबरदस्त लोकप्रियता हासिल की है, जबकि प्रतिस्पर्धी डार्क एनर्जी शिविर जोरदार बना हुआ है।

हम कैसे बता सकते हैं? आइंस्टीन गुरुत्वाकर्षण से विचलन सौर मंडल प्रयोगों, गुरुत्वाकर्षण तरंगों के हालिया अवलोकन और ब्लैक होल की निकट-क्षितिज छवियों द्वारा बाधित हैं।

सामान्य सापेक्षता के विकल्प के रूप में गुरुत्वाकर्षण के सिद्धांतों पर अब एक बड़ा साहित्य उपलब्ध है, जो एडिंगटन की 1923 की शुरुआती जांचों पर आधारित है। विकल्पों का एक बहुत लोकप्रिय वर्ग तथाकथित स्केलर-टेंसर गुरुत्वाकर्षण है। यह वैचारिक रूप से बहुत सरल है क्योंकि यह आइंस्टीन के गुरुत्वाकर्षण के ज्यामितीय विवरण में केवल एक अतिरिक्त घटक (सबसे सरल, स्पिन रहित, कण के अनुरूप एक अदिश क्षेत्र) का परिचय देता है।

हालाँकि, इस कार्यक्रम के परिणाम मामूली नहीं हैं। एक उल्लेखनीय घटना “गिरगिट प्रभाव” है, जिसमें यह तथ्य शामिल है कि ये सिद्धांत उच्च-घनत्व वाले वातावरण (जैसे कि सितारों या सौर मंडल में) में सामान्य सापेक्षता के रूप में खुद को छिपा सकते हैं, जबकि कम-घनत्व वाले वातावरण में इससे दृढ़ता से विचलित हो सकते हैं। ब्रह्माण्ड विज्ञान का.

नतीजतन, अतिरिक्त (गुरुत्वाकर्षण) क्षेत्र पहले प्रकार की प्रणालियों में प्रभावी रूप से अनुपस्थित है, खुद को गिरगिट के रूप में प्रच्छन्न करता है, और केवल सबसे बड़े (ब्रह्मांड संबंधी) पैमाने पर महसूस किया जाता है।