Почему Эйнштейн мог ошибаться: в поисках теории гравитации

Теория гравитации Эйнштейна — общая теория относительности — пользуется большим успехом уже более столетия. Однако у нее есть теоретические недостатки. В этом нет ничего удивительного: теория предсказывает свою собственную неудачу в сингулярностях пространства-времени внутри черных дыр – и в самом Большом взрыве.

В отличие от физических теорий, описывающих три другие фундаментальные силы в физике — электромагнитное, а также сильное и слабое ядерные взаимодействия — общая теория относительности была проверена только в гравитации.

Отклонения гравитации от общей теории относительности ни в коем случае не исключаются и не проверяются повсюду во Вселенной. И, по мнению физиков-теоретиков, отклонение должно произойти.

Отклонения и квантовая механика

Согласно теории, первоначально предложенной Жоржем Леметром и широко принятой астрономическим сообществом, наша Вселенная возникла в результате Большого взрыва.

Другие сингулярности скрываются внутри черных дыр: пространство и время там перестают иметь значение, а такие величины, как плотность энергии и давление, становятся бесконечными. Это сигнализирует о том, что теория Эйнштейна здесь терпит неудачу и ее необходимо заменить более фундаментальной.

Наивно полагать, что сингулярности пространства-времени должны быть разрешены с помощью квантовой механики, которая применима в очень малых масштабах.

Квантовая физика опирается на две простые идеи: точечные частицы не имеют смысла; и принцип неопределенности Гейзенберга, который гласит, что никогда нельзя знать значение определенных пар величин с абсолютной точностью, например, положение и скорость частицы. Это происходит потому, что частицы следует рассматривать не как точки, а как волны; на малых масштабах они ведут себя как волны материи.

Этого достаточно, чтобы понять, что теория, охватывающая как общую теорию относительности, так и квантовую физику, должна быть свободна от подобных патологий. Однако все попытки объединить общую теорию относительности и квантовую физику неизбежно приводят к отклонениям от теории Эйнштейна.

Следовательно, гравитация Эйнштейна не может быть окончательной теорией гравитации. Действительно, вскоре после введения Эйнштейном общей теории относительности в 1915 году Артур Эддингтон, наиболее известный тем, что проверил эту теорию во время солнечного затмения 1919 года, начал искать альтернативы, просто чтобы увидеть, как все может быть по-другому.

Теория Эйнштейна на сегодняшний день выдержала все проверки, точно предсказывая различные результаты — от прецессии орбиты Меркурия до существования гравитационных волн. Так где же скрываются эти отклонения от общей теории относительности?

Космология имеет значение

Сто лет исследований дали нам стандартную модель космологии, известную как модель Λ-холодной темной материи (лямбда, ΛCDM). Здесь Λ означает либо знаменитую космологическую постоянную Эйнштейна, либо загадочную темную энергию с похожими свойствами.

Темная энергия была введена астрономами специально для объяснения ускорения космического расширения. Несмотря на то, что до недавнего времени модель ΛCDM чрезвычайно хорошо соответствовала космологическим данным, она является крайне неполной и неудовлетворительной с теоретической точки зрения.

За последние пять лет она также столкнулась с серьезной проблемой в области наблюдения. Постоянная Хаббла, определяющая возраст и масштаб расстояний во Вселенной, может быть измерена в ранней Вселенной с использованием космического микроволнового фона, а в поздней Вселенной — с использованием сверхновых в качестве стандартных свечей.

Эти два измерения дают несовместимые результаты. Еще важнее то, что природа основных компонентов модели ΛCDM — темной энергии, темной материи и поля, вызывающего инфляцию ранней Вселенной (очень короткий период чрезвычайно быстрого расширения, порождающего зародыши галактик и скоплений галактик) — остается загадкой.

С наблюдательной точки зрения, наиболее убедительной мотивацией модифицированной гравитации является ускорение Вселенной, обнаруженное в 1998 году сверхновыми типа Ia, светимость которых затемняется из-за этого ускорения.

Модель ΛCDM, основанная на общей теории относительности, постулирует чрезвычайно экзотическую темную энергию с отрицательным давлением, пронизывающую Вселенную.

Проблема в том, что эта темная энергия не имеет физического оправдания. Ее природа совершенно неизвестна, хотя было предложено множество моделей. Предлагаемая альтернатива темной энергии — это космологическая постоянная Λ, которая, согласно квантово-механическим (но сомнительным) расчетам, должна быть огромной.

Однако вместо этого Λ должна быть невероятно точно настроена до крошечного значения, чтобы соответствовать космологическим наблюдениям. Если темная энергия существует, наше незнание ее природы вызывает глубокую тревогу.

Альтернативы теории Эйнштейна

Могут ли вместо этого возникнуть проблемы из-за ошибочной попытки вписать космологические наблюдения в общую теорию относительности, например, втиснуть человека в слишком маленькие брюки? Что мы наблюдаем первые отклонения от общей теории относительности, а загадочной темной энергии просто не существует?

Эта идея, впервые предложенная исследователями из Неаполитанского университета, приобрела огромную популярность, в то время как противоборствующий «лагерь» темной энергии остается активным.

Как мы можем ответить на этот вопрос? Отклонения от гравитации Эйнштейна ограничиваются экспериментами в Солнечной системе, недавними наблюдениями гравитационных волн и изображениями черных дыр.

В настоящее время существует обширная литература по теориям гравитации, альтернативам общей теории относительности, начиная с ранних исследований Эддингтона 1923 года. Очень популярный класс альтернатив — так называемая скалярно-тензорная гравитация (теория Хорндески). Концептуально это очень просто, поскольку в эйнштейновское геометрическое описание гравитации вводится только один дополнительный ингредиент (скалярное поле, соответствующее простейшей бесспиновой частице).

Однако последствия этой теории далеко не тривиальны. Поразительным явлением является «эффект хамелеона», заключающийся в том, что эти теории могут маскироваться под общую теорию относительности в средах с высокой плотностью (например, в звездах или в Солнечной системе), сильно отклоняясь от нее в среде с низкой плотностью.

В результате дополнительное (гравитационное) поле в системах первого типа фактически отсутствует, маскируясь под хамелеона, и ощущается лишь на самых крупных (космологических) масштабах.

Текущая ситуация

Сегодня спектр альтернатив гравитации Эйнштейна резко расширился. Даже добавление одного массивного скалярного возбуждения (а именно, частицы с нулевым спином) к гравитации Эйнштейна — и сохранение полученных уравнений «простыми», чтобы избежать некоторых известных фатальных нестабильностей — привело к гораздо более широкому классу теорий Хорндески и последующим обобщениям.

Теоретики провели последнее десятилетие, извлекая физические следствия из этих теорий. Недавние открытия гравитационных волн дали возможность ограничить физический класс разрешенных модификаций гравитации Эйнштейна.

Тем не менее, еще предстоит проделать большую работу в надежде, что будущие достижения в астрономии приведут к открытию модификаций общей теории относительности, в которых гравитация чрезвычайно сильна.