Tian Ma, profesor de matematică la Universitatea Sichuan University şi Shouhong Wang, profesor de matematică la Universitatea Indiana au conceput o teorie unificată a materiei şi energiei întunecate care, cred ei, va schimba modul în care gândim energia, interacţiunile gravitaţionale, structura şi formarea universului.

Shouhong Wang, profesor la Colegiu de Arte şi Ştiinţe ale Universităţii Indiana, Departamentul de Matematică şi Tian Ma, profesor la Universitatea Sichuan, afirmă că legile conservării energiei şi impulsului în spaţiu-timp (o structură geometrică cu 4 dimensiuni în care ecuaţiile lui Einstein au fost formulate) sunt valide numai atunci cand materia vizibilă, materia întunecata şi energia întunecată sunt luate în considerare, ca întreg. Aceştia susţin că, dacă privim doar materia vizibilă în izolare, legile conservării energiei şi impulsului nu mai sunt valabile.

Chiar dacă se aplică aceiaşi metrică a curburii spaţio-temporale pe care Einstein a folosit-o pentru a deduce ecuaţiile câmpului gravitaţional, cercetătorii susţin că prezenţa materiei şi energiei întunecate - care, după ultimele estimări ale oamenilor de ştiinţă, alcătuieşte cel puţin 95% din Univers - necesită un nou sistem de ecuaţii ale câmpului gravitaţional care ia în calcul un nou tip de energie cauzată de distribuţia neuniformă a materiei în Univers. Această nouă energie poate fi atât pozitivă, cât şi negativă şi totalitatea ei în raport cu întreg domeniul spaţio-temporal se conservă, afirmă profesorul Wang.

Este curbura spaţio-temporală împreună cu câmpul potenţial scalar care reprezintă noua densitate a energiei şi interacţiunile dintre acestea două care formează fundamentele pentru noile ecuaţii ale câmpului gravitaţional.
 
"Multi cercetători au conceput diferite teorii pentru energia întunecată" spune Wang. "Din păcate, misterul rămâne nedezlegat şi, de fapt, natura energiei întunecate este acum cel mai profund mister în cosmologie şi astrofizică. Este considerată cea mai complexă problemă în fizica teoretică contemporană".

"Celălalt mare mister referitor la univers este acela că, universul conţine mult mai multă materie decât rezultă din legile fizice aplicate la scara stelelor vizibile. Materia lipsă a fost denumită materie întunecată şi, în ciuda numeroaselor încercări de a o detecta, misterul nu a fost desluşit, ci, din contră, chiar se adânceşte."

Cercetătorii au postulat că tensorul energie-impuls al materiei vizibile  nu se mai conservă şi că noi ecuaţii ale câmpului gravitaţional rezultă din principiul echivalenţei şi teoria relativităţii generale a lui Einstein şi din principiul dinamicii Lagrange-iene, aşa cum Einstein a dedus ecuaţiile câmpului gravitaţional cei poartă numele. Wang afirmă că noile ecuaţii ale câmpului gravitaţional sunt rezultatul unic al faptului că tensorul energie-impuls al materiei vizibile nu se mai conservă.

Când  Einstein a conceput teoria generală a relativităţii (1915) materia şi energia întunecată nu fuseseră descoperite încă, deci era normal pentru el să pornească de la legile conservării energiei şi impulsului pentru materia vizibilă, a adăugat Wang.

"Diferenţa dintre noile ecuaţii ale câmpului gravitaţional şi ecuaţiile lui Einstein este adăugarea unei derivate covariante de ordinul doi a unui câmp potenţial scalar" a spus el. "Teoria gravitaţiei este schimbată fundamental şi este acum descrisă de metrica curburii spaţio-temporale, noul câmp potenţial scalar şi de interacţiunile dintre ele."

Teoria tensorială conferă un cadru de lucru concis în rezolvarea problemelor şi tensorul energie-impuls cuantifică densitatea şi fluxul de energie şi impuls în spaţiu-timp. Derivata covariantă de ordinul doi ar fi analogul geometric al derivatei de ordinul doi din analiza matematică care măsoară cum rata de schimbare a unei cantităţi se schimbă ea însăși.

Asociată cu un câmp scalar este o densitate de energie potenţială scalară constând din energii pozitive şi negative şi reprezentând un nou tip de energie cauzată de distribuţia neuniformă a materiei în Univers.  Densitatea de energie potenţială scalară se modifică pe măsură ce galaxiile se deplasează şi materia se redistribuie, afectând orice parte a Universului, conceput ca un câmp.

Wang afirmă că energia negativă produce atracţie în timp ce energia pozitivă produce o forţă de respingere fundamental diferită de cele patru forţe fundamentale - gravitaţia, electromagnetismul, forţa nucleară slabă şi forţa nucleară puternică - cunoscute în fizica contemporană.

"Foarte important, această nouă energie şi noile ecuaţii ale câmpului oferă o teorie unificată pentru energia şi materia întunecată, care, până acum, au fost considerate ca două curiozităţi exotice total diferite ce aveau în comun doar atributul de  'întunecată' din denumirea lor", a spus acesta. "Atât materia întunecată, cât şi energia întunecată pot acum fi reprezentate matematic de suma dintre scalarul densităţii de energie potenţială şi energia de cuplare dintre tensorul energie-impuls şi câmpul potenţial scalar".

"Partea negativă a sumei este reprezentată de materia întunecată care produce atracţie, iar partea pozitivă este reprezentată de energia întunecată care determină expansiunea accelerată a galaxiilor”, a spus acesta.

"Pe scurt, noi credem că noua teorie a gravitaţiei va schimba modul nostru de gândire asupra energiei, asupra interacţiunilor gravitaţionale şi asupra structurii şi formării universului nostru," afirmă Wang.

Kevin Zumbrun, directorul departamentului de matematică din cadrul  IU Bloomington, afirmă că noua teorie unificată e destul de riguroasă, în principiu.

"Este speculativă la nivel cosmologic, deoarece trebuie testată prin experiment, dar matematica care-i stă la bază este corectă, a spus acesta.  "Este o abordare nouă şi elegantă asupra acestor lucruri şi dacă va fi verificată prin experiment, va fi o descoperire uluitoare. Destul de incitant!"

Wang afirmă că noile ecuaţii ale câmpului gravitaţional conduc, de asemenea, la o formulă modificată a forţei gravitaţionale a lui Newton, care arată că materia întunecată joacă un rol mai important la o scara galactică de circa 1.000 la 100.000 de ani lumină, dar e mai puţin importantă la o scară mai mare, unde energia întunecată va fi semnificativă (mai mult de 10 milioane de ani lumină).

"Această teorie unificată este consistentă logic cu caracterizarea generală a materiei şi energiei întunecate şi teste ulterioare ale teoriei până la o măsurare precisă a observaţiilor cosmice sunt cu siguranţă cruciale pentru o eventuală validare a acestei noi teorii", a adăugat Wang.

The full research paper, "Gravitational Field Equations and Theory of Dark Energy and Dark Matter", is available at the open access online preprint archive arXiv.
Read more at: http://phys.org/news/2012-09-mathematicians-theory-dark-energy-einstein.html#jCp

Sursa: Phys.org