Почему Эйнштейн мог ошибаться: в поисках теории гравитации
За более чем столетие были достигнуты большие успехи в общей теории относительности, теории гравитации Эйнштейна. Однако у нее есть теоретические недостатки. Это не удивительно, поскольку теория предсказывает, что она потерпит неудачу в пространственно-временных сингулярностях внутри черных дыр, а также при Большом взрыве.
Общая теория относительности была проверена только на слабой гравитации, в отличие от физических теорий, описывающих три другие фундаментальные силы в физике: электромагнитную, сильное и слабое ядерное взаимодействие.
Нигде в космосе не проверяются и не отвергаются отклонения гравитации от общей теории относительности. Физики-теоретики также утверждают, что отклонения неизбежны.
Несоответствия и квантовая физика
Наша Вселенная началась в результате Большого взрыва, согласно теории, впервые выдвинутой Жоржем Леметром и в значительной степени принятой астрономическим сообществом. Внутри черных дыр есть еще сингулярности: Там давление и плотность энергии становятся неограниченными, а пространство и время теряют всякое значение. Все это указывает на то, что с теорией Эйнштейна есть проблемы и что на ее место должна быть поставлена более фундаментальная теория.
Наивно полагать, что квантовая физика, работающая на чрезвычайно малых масштабах, должна быть способна разрешить пространственно-временные сингулярности.
Два фундаментальных принципа лежат в основе квантовой физики: во-первых, точечные частицы нелогичны; во-вторых, принцип неопределенности Гейзенберга утверждает, что невозможно с полной уверенностью знать значение некоторых пар величин, таких как местоположение и скорость частицы. Это связано с тем, что частицы ведут себя как волны материи при микроскопических размерах и не должны рассматриваться как точки.
Этого достаточно, чтобы понять, что подобные патологии не должны существовать в теории, включающей в себя как общую относительность, так и квантовую физику. Однако все попытки объединить квантовую физику с общей относительностью неизбежно приводят к отступлениям от теории Эйнштейна.
В результате теория гравитации Эйнштейна не может быть окончательной. На самом деле Артур Эддингтон, наиболее известный тем, что подтвердил общую относительность во время солнечного затмения 1919 года, начал искать альтернативы вскоре после того, как Эйнштейн представил теорию в 1915 году, просто чтобы понять, может ли все быть иначе.
До сих пор все проверки теории Эйнштейна успешно предсказывали самые разные результаты – от прецессии орбиты Меркурия до наличия гравитационных волн. Так где же скрываются эти аберрации общей теории относительности?
Космос имеет значение
Модель Λ-холодной темной материи (ΛCDM) является основной моделью космологии, которая была разработана за столетие исследований. В этом случае κ представляет собой либо хорошо известную космологическую постоянную Эйнштейна, либо загадочную темную энергию с сопоставимыми характеристиками.
Астрономы изобрели темную энергию, чтобы объяснить, почему расширение Вселенной ускоряется. До недавнего времени модель ΓCDM вполне соответствовала космологическим данным, однако с теоретической точки зрения она удивительно неадекватна и неудовлетворительна, Кейтеринг в Алматы.
За последние пять лет в этой области также наблюдалось чрезвычайное напряжение. Космический микроволновый фон можно использовать для оценки постоянной Хаббла в ранней Вселенной, а сверхновые – в качестве стандартных свечей в поздней Вселенной для расчета возраста и пространственного масштаба Вселенной.
Результаты этих двух измерений противоречат друг другу. Что еще более важно, природа темной энергии, темной материи и поля, ответственного за инфляцию ранней Вселенной – короткий период необычайно быстрого расширения, который привел к появлению первых галактик и скоплений галактик, – остается загадкой.
Ускорение космоса, наблюдаемое в 1998 году сверхновыми типа Ia, блеск которых уменьшается из-за этого ускорения, является наиболее убедительным наблюдательным аргументом в пользу модифицированной гравитации. Модель ΓCDM, основанная на общей теории относительности, предполагает, что космос заполнен весьма экзотической темной энергией, которая оказывает отрицательное давление.
Проблема в том, что для этой темной энергии не существует физической основы. Ее природа остается совершенно неизвестной, несмотря на множество выдвинутых моделей. Космологическая постоянная Ϋ, которой предлагается заменить темную энергию, должна быть огромной, исходя из сомнительных квантово-механических расчетов.
Однако для того, чтобы соответствовать космическим открытиям, κ должна быть очень тонко настроена и составлять мизерное число. Если темная энергия реальна, то очень удивительно, что мы так мало о ней знаем.
Альтернативы теории Эйнштейна
Возможно ли, что проблемы возникают из-за неправильной попытки включить космические открытия в общую теорию относительности, подобно попытке надеть на кого-то штаны большого размера? Что загадочной темной энергии просто не существует, и что мы наблюдаем первые отклонения от общей теории относительности?
Ученые Неаполитанского университета, которые изначально выдвинули эту теорию, получили огромную поддержку, несмотря на продолжающееся рвение группы сторонников темной энергии.
Как мы можем это выяснить? Эксперименты в Солнечной системе, текущие наблюдения гравитационных волн и визуализация черных дыр вблизи горизонта ограничивают отклонения от эйнштейновской гравитации.
Со времен пионерских исследований Эддингтона в 1923 году было написано огромное количество работ, посвященных теориям гравитации, альтернативным общей теории относительности. Наиболее предпочтительная категория заменителей известна как скалярно-тензорная гравитация. Поскольку она добавляет всего одно скалярное поле – которое соответствует самой простой бесспиновой частице – к геометрическому представлению Эйнштейна о гравитации, теоретически она чрезвычайно проста.
Однако эта программа имеет далеко идущие последствия. Одним из примечательных явлений является “эффект хамелеона”, который заключается в способности этих теорий выдавать себя за общую относительность в условиях высокой плотности (например, звезды или Солнечная система) и в то же время резко отходить от нее в условиях низкой плотности космологии.
Из-за этого дополнительное (гравитационное) поле проявляется только на самых больших (космологических) масштабах в первом классе систем, когда оно в основном исчезает, как хамелеон.
Обстоятельства сегодняшнего дня
В современную эпоху спектр альтернатив эйнштейновской гравитации значительно расширился. Значительно больший класс теорий, известных как теории Хорндески и их более поздние расширения, был получен даже путем добавления одного массивного скалярного возбуждения (частицы со спин-нулевым значением) к эйнштейновской гравитации и сохранения “простых” уравнений, чтобы избежать некоторых известных катастрофических неустойчивостей.
В течение последних десяти лет теоретики работали над определением практических последствий этих теорий. Недавно были обнаружены гравитационные волны, и это позволило ограничить физический класс возможных эйнштейновских гравитационных изменений.
Тем не менее, предстоит еще многое сделать в надежде на то, что развитие астрономии с несколькими мессенджерами в будущем позволит выявить изменения в общей теории относительности, когда гравитация становится чрезвычайно сильной.
В нашем Telegram‑канале вы найдёте новости о непознанном, НЛО, мистике, научных открытиях, неизвестных исторических фактах. Подписывайтесь, чтобы ничего не пропустить.
