Ольга Александровна
©Кто владеет информацией, тот владеет миром

Наступили тяжелые времена для альтернативных теорий гравитации Энштейна

Два белых карлика и пульсар вращаются друг вокруг друга в системе, показывающей поведение гравитации в экстремальных условиях. ©Quanta Magazine
Два белых карлика и пульсар вращаются друг вокруг друга в системе, показывающей поведение гравитации в экстремальных условиях. ©Quanta Magazine

В сентябре 2017 года Мигель Зумалакарреги сделал доклад в Институте теоретической физики в Сакле на конференции, посвященной темной энергии и гравитации. На тот момент еще не было официальных заявлений об эпохальном астрономическом измерении: обнаружении гравитационными волновыми детекторами и многими другими телескопами столкновения между двумя нейтронными звездами. Однако спорный твит уже успел породить в астрономическом сообществе волну слухов.

Эмблема Quanta Magazine
Эмблема Quanta Magazine

Зумалакарреги – физик-теоретик из Центра космической физики в Беркли, который изучает, как обнаружение столкновения нейтронных звезд повлияет на так называемые «альтернативные» теории гравитации. Эти теории пытаются решить две огромные проблемы, мешающие исследователям понять вселенную.

Проводимые десятилетиями, наблюдения показали, что вселенная заполнена невидимыми частицами – темной материей, а также антигравитационной силой называемой темной энергией. Альтернативные теории гравитации наоборот пытаются описать все известные наблюдения без включения темной материи, путем изменения внешнего вида силы тяжести.

На конференции Зумалакарреги пошутил перед аудиторией об опасностях сочетания науки и Twitter, а затем рассказал о возможных последствиях, если слух окажется правдивым. Позже ученый отметил, что многие коллеги знали, насколько знаменательное событие слияние двух звезд, но тогда они еще не понимали, что их теории оказались на грани гибели. Конференция в Сакле была похожа на похоронное мероприятие, на котором некоторым посетителям доносили последние новости.

Слияние нейтронных звезд было только началом. Получаемые в последующие несколько месяцев данные только усложнили жизнь оставшимся сторонникам теорий модифицированной гравитации. Астрономы занялись анализом астрономических систем, содержащих вращающиеся нейтронные звезды или пульсары: они пытаются найти несоответствия между их движением и предсказаниями общей теории относительности. Дело в том, что нахождение или подтверждение отсутствия таких несоответствий поможет подтвердить или опровергнуть некоторые альтернативные теории гравитации.

Системы пульсаров позволяют астрономам исследовать гравитацию на новом уровне и с большей точностью. И с каждым новым наблюдением альтернативным теориям гравитации все тяжелее решать проблемы, для решения которых они были изобретены.

Поиск Вулкана

Непонятные наблюдения приводят к отчаянным объяснениям астрономов.

Во второй половине дня 26 марта 1859 года Эдмонд Лескарбо, молодой врач и астроном-любитель в маленькой деревушке Оржер-ан-Босе, в перерыве между пациентами в своей крошечной домашней обсерватории увидел через телескоп, как неизвестный круглый объект двигался по диску солнца. Он быстро сообщил об этом открытии Урбану Жан Жозефу Леверье, ведущему астроному мира на то время.

Леверье обнаружил, что вращение всех планет вокруг Солнца, за исключением Меркурия, идеально согласуется с законами движения и тяготения Исаака Ньютона. Меркурий же с каждым оборотом вокруг Солнца смещается на крошечную величину. Данное явление носит название прецессия перигелия. Астроном пытался найти объяснение такому поведению планеты, и был уверен, что существует еще одна невидимая «темная» планета, которая притягивает Меркурий. Леверье посчитал, что темное пятно, наблюдаемое Лескарбо, и есть эта темная планета, которую он назвал Вулкан.

Но это была не она. Наблюдения Лескарбо больше не подтверждались, и прецессия перигелия Меркурия оставалась загадкой в течение почти шести десятилетий. Затем Эйнштейн разработал общую теорию относительности, в которой описание движения Меркурия совпало с действительностью.

Карта солнечной системы 1846 года показывает предполагаемую орбиту Вулкана, гипотетической планеты, с помощью которой пытались объяснить загадочную особенность орбиты Меркурия. ©JONES&G.W. NEWMAN
Карта солнечной системы 1846 года показывает предполагаемую орбиту Вулкана, гипотетической планеты, с помощью которой пытались объяснить загадочную особенность орбиты Меркурия. ©JONES&G.W. NEWMAN

Некоторые исследователи проводят параллели между стремлениями Леверье объяснить загадочные наблюдения путем введения дополнительного объекта и современными предположениями о существовании темной материи и темной энергии. На протяжении десятилетий астрономы замечают, что поведение галактик и скоплений галактик не соответствует предсказаниям общей теории относительности. И темная материя – один из способов объяснить данное поведение. Аналогично можно считать, что темная энергия способствует ускоряющемуся расширению вселенной.

Однако все попытки прямого обнаружения темной материи и темной энергии потерпели неудачу. По словам Лео Штейна, физика-теоретика из Калифорнийского технологического института, у некоторых людей этот факт оставляет неприятное впечатление, как вымышленная планета Вулкан.

Альтернативные теории гравитации

Чтобы любая альтернативная теория гравитации оказалась рабочей, ей необходимо не только избавиться от темной материи и темной энергии, но и воспроизвести предсказания общей теории относительности во всех стандартных ситуациях.

Энн Арчибальд, астрофизик Амстердамского университета, считает, что мир альтернативных моделей беспорядочный. Некоторые потенциальные кандидаты на смену общей теории относительности, например, теория струн и петлевая квантовая гравитация, не дают проверяемых прогнозов. Другие делают прогнозы, которые в корне неправильны, поэтому, по мнению астрофизика, теоретикам необходимо разработать какой-то механизм отбора, чтобы на тех масштабах, где их можно проверить, не было неправильных предсказаний.

Наиболее известные альтернативные теории гравитации известны как модифицированная ньютоновская динамика или сокращенно MOND. Теории типа MOND пытаются избавиться от темной материи, изменив определение гравитации. Уже давно астрономы отмечают, что гравитационной силы, обусловленной обычной материей, кажется недостаточно для удержания быстро движущихся звезд внутри их галактик. Предполагается, что гравитационная сила темной материи компенсирует недостаток этой силы.

В MOND же это объясняется наличием двух видов гравитации. В областях, где сила тяжести большая, тела подчиняются закону тяжести Ньютона, что означает, что сила гравитации между двумя объектами уменьшается пропорционально квадрату расстояния между ними. Но в областях с чрезвычайно слабой гравитацией, как на окраинах галактики, действует другой тип гравитации. С увеличением расстояния она уменьшается медленнее, а значит сила ее действия не ослабевает так сильно.

Идея состоит в том, чтобы усилить гравитацию там, где она должна быть слабее, например, на окраине галактики, – сказал Зумалакарреги.
©Quanta Magazine
©Quanta Magazine

Существует еще релятивистский кузен MOND – TeVeS (расшифровывается как тензор-вектор-скаляр). MOND представляет собой модификацию ньютоновской силы гравитации, а TeVeS уже является попыткой обобщить представление MOND и превратить его в полноценную математическую теорию, которая может описать вселенную в целом, а не только такие относительно небольшие объекты, как солнечные системы и галактики.

MOND объясняет вращения галактик увеличением силы тяжести на их окраинах. Однако TeVeS для этого увеличивает силу гравитации с помощью скалярного и векторного полей, которые, по словам космолога из Института астрофизики им. Макса Планка в Гархине (Германия) Фабиана Шмидта, существенно усиливают гравитацию. Скалярное поле подобно температуре в атмосфере: в каждой точке оно имеет лишь числовое значение без какого-либо направления. Векторное поле похоже на ветер: оно имеет как числовое значение (скорость ветра), так и направление.

Пытаются избавиться от темной материи и теории галилеона, которые принадлежат к классу так называемых теорий Хорндески. Эти модификации общей теории относительности также вводят скалярное поле. Этих моделей достаточно много (среди них теория Бранса-Дикке, теории дилатона, теории хамелеонов и квинтэссенции), и их предсказания сильно различаются между собой. Но все они меняют расширение вселенной и настраивают силу тяжести.

Впервые теория Хорндески была выдвинута Грегори Хорндески в 1974 году, но более широкое физическое сообщество приняло ее к сведению только в 2010 году. К тому времени, по словам Зумалакарреги, Грегори Хорндески бросил науку и стал художником в Нью-Мексико.

Существуют и обособленные теории, как модель физика Эрика Верлинде. Согласно его представлениям, законы гравитации также естественно возникают из законов термодинамики, как волны – из молекул воды в океане. Верлинде считает, что его идеи являются не альтернативной теорией гравитации, а – следующей теорией гравитации, которая содержит и превосходит общую теорию относительности Эйнштейна. Но работа в этом направлении еще ведется.

У меня сложилось впечатление, что для того, чтобы проводить точные тесты, теория еще недостаточно разработана, – сказала Арчибальд.

Зумалакарреги тоже отмечает отсутствие в ней математической основы для проведения точных прогнозов и испытаний.

Прогнозы, сделанные другими теориями, немного отличаются от предсказаний общей теории относительности. Но эти различия могут быть настолько незначительными, что их невероятно трудно найти.

Эпохальное измерение

Вернемся к поглощению нейтронной звезды. Когда Лазерно-интерферометрическая гравитационно-волновая обсерватория (LIGO) заметила гравитационные волны, образованные в результате столкновения звезд, космический спутник Ферми обнаружил всплеск гамма излучения, исходящего из того же места. Два сигнала 130 млн лет преодолевали вселенную и достигли Земли с разностью в 1,7 секунды.

Пауло Фрейр, астрофизик из Института радиоастрономии им. Макса Планка в Бонне (Германия) отмечает, что практически одновременные наблюдения «жестоко и безжалостно убили» теории TeVeS.

Гравитация и гравитационные волны распространяются со скоростью света с чрезвычайно высокой точностью, что совершенно не то, что было предсказано этими [альтернативными] теориями, – сказал Фрейр.

Та же участь постигла некоторые теории галилеона, в которых для объяснения ускоренного расширения вселенной добавляется дополнительное скалярное поле. Они также предсказывают, что гравитационные волны распространяются медленнее света, поэтому слияние нейтронных звезд убило и их.

Другие способы проверки альтернативных теорий

Следующие ограничения исходят от новых систем пульсаров. В 2013 году Арчибальд и ее коллеги обнаружили необычную тройную систему, которая состоит из пульсара и белого карлика, вращающихся друг вокруг друга, и еще одного белого карлика, вращающегося вокруг пары. Три объекта занимают в пространстве меньше места, чем орбита Земли вокруг Солнца. Арчибальд утверждает, что их компактное расположение предлагает идеальные условия для проверки важного аспекта общей теории относительности, называемого сильным принципом эквивалентности. Согласно этому принципу, такие очень плотные объекты с сильной гравитацией, как нейтронные звезды или черные дыры, при помещении в гравитационное поле «падают» аналогичным образом. (На Земле более известен слабый принцип эквивалентности: если не учитывать сопротивление воздуха, то перо и кирпич будут падать с одинаковой скоростью.)

Тройная система позволяет проверить, одинаково ли действует гравитация внешнего белого карлика на пульсар и внутренний белый карлик. В альтернативных теориях гравитации предполагается, что скалярное поле, генерируемое пульсаром, должно изменять пространство-время гораздо сильнее, чем это делает белый карлик. Их неодинаковое падение приведет к нарушению сильного принципа эквивалентности и, вместе с тем, общей теории относительности.

За последние пять лет Арчибальд и ее команда сделали 27 000 измерений положений пульсара, так как он вращается вокруг двух других звезд. Хотя проект еще продолжается, похоже, что результаты будут в полном согласии с Эйнштейном. По словам Энн Арчибальд, вероятность ненормального поведения пульсара составляет несколько штук на миллион. Следование объекта с такой сильной гравитацией предсказаниям Эйнштейна с такой высокой точностью говорит о том, что если и существует какое-то скалярное поле, то оно должно иметь действительно крошечный эффект.

Тест, который опубликуют в ближайшее время, покажет ограничения для целой группы альтернативных теорий гравитации, добавила Арчибальд. Если модель работает только с некоторым дополнительным скалярным полем, то поле должно изменять поведение пульсара.

У нас такие чувствительные тесты общей теории относительности, что им нужно как-то скрывать новое поведение своей теории в солнечной системе и в системах пульсаров, подобных изучаемой нами, – сказала Арчибальд.

Данные из другой системы, обнаруженной в 2003 году, и состоящей из двух пульсаров, должны были уничтожить теорию TeVeS. Фрейр и его коллеги уже подтвердили, что поведение этой системы полностью соответствует общей теории относительности. И прямо перед октябрьским заявлением LIGO о слиянии нейтронной звезды исследователи собирались опубликовать статью, которая бы убила TeVeS. Но LIGO сделала это за них.

Выжившие

Зумалакарреги говорит, что несколько теорий все же пережили удар LIGO, и, вероятно, выживут после предстоящих данных пульсара. К ним относятся некоторые теории Хорндески и подкласс теорий Хорндески, которые не меняют скорость гравитационных волн. Кроме того, есть так называемые массивные теории гравитации. Обычно физики предполагают, что частица, связанная с силой тяжести – гравитон – не имеет массы. В этих же теориях гравитон имеет очень малую, но ненулевую массу. Зумалакарреги говорит, что слияние нейтронных звезд ставит на них жесткие ограничения, поскольку массивный гравитон будет двигаться медленнее, чем свет. Но в некоторых теориях масса считается чрезвычайно малой, по крайней мере, на 20 порядков меньше нейтрино, а это означает, что гравитон будет двигаться почти со скоростью света.

Пока темная материя и темная энергия остаются неуловимыми, есть еще несколько менее известных выживших, часть которых важна для изучения.

Темная энергия может быть нашей единственной наблюдательной подсказкой, указывающей на новую и лучшую теорию гравитации, или она может оказаться таинственной жидкостью со странными свойствами, и вообще не иметь никакого отношения к гравитации, – сказала Арчибальд.

Тем не менее исследователи альтернативных теорий гравитации утверждают, что уничтожение теорий является неотъемлемой частью работы науки.

Это то, что мы делаем все время, выдвигаем рабочую гипотезу и проверяем ее, – сказал Энрико Барусс из Института астрофизики в Париже, который работал над теориями, подобными MOND. – 99,9% времени вы отбрасываете гипотезы; оставшиеся 0,1% времени вы выигрываете Нобелевскую премию.

Зумалакарреги, который также работал над подобными моделями, сначала расстроился, что обнаружение слияния нейтронных звезд доказало ошибочность теорий галилеона, но в результате пришел к выводу, что лучше раньше, чем позже. LIGO вот-вот собиралась закрыться на 18 месяцев, чтобы обновить детектор.

Если бы событие произошло немного позже, я бы до сих пор работал над ошибочной теорией, – заявил ученый.
Энн Арчибальд, астроном из Амстердамского университета, изучает тройную систему, чтобы понять поведение гравитации. ©CEES BASSA
Энн Арчибальд, астроном из Амстердамского университета, изучает тройную систему, чтобы понять поведение гравитации. ©CEES BASSA

Зумалакарреги утверждает, что его мучает вопрос «Что будет дальше с общей теорией относительности и теориями модифицированной гравитации?».

Хорошая новость заключается в том, что рамки значительно сужены, и мы можем попытаться понять выживших намного лучше.

Шмидт полагает, что необходимо максимально точно измерять законы гравитации на больших масштабах, используя текущие и будущие крупные исследования галактик.

Например, мы можем сравнить влияние силы гравитации на искривление света, а также скорости галактик. Как правило, теории модифицированной гравитации предсказывают, что они отличаются друг от друга, – сказал он.

Исследователи также надеются, что будущие телескопы, например, Square Kilometer Array, обнаружат больше систем с пульсарами и обеспечат лучшую точность для дальнейшего улучшения тестов гравитации. И космическая замена LIGO под названием LISA будет изучать гравитационные волны с изящной точностью, если она действительно запустится в середине 2030-х годов.

Если она не увидит никаких отклонений от общей теории относительности, то я не знаю, что будет, – сказал Барусс.

Многие физики соглашаются с тем, что потребуется много времени, чтобы избавиться от большинства альтернативных моделей гравитации. Фрейр говорит, что теоретики имеют множество альтернативных теорий гравитации, которые потенциально могут объяснить темную материю и темную энергию. В свою очередь Арчибальд утверждает, что некоторые из этих теорий не делают прогнозов, которые можно проверить, поскольку имеют параметр, своего рода «ручку», с помощью которой они проходят любой тест. А физик из Университета штата Монтана Николас Юнес говорит, что в какой-то момент это станет бессмысленным, и бритва Оккама выиграет.

Мы знаем, что фундаментально общая теория относительности неверна. – говорит Штейн. – В самом центре на квантовом уровне должна быть какая-то нестыковка. Возможно, мы не увидим этого из астрономических наблюдений ... но мы, как ученые, обязаны сами проверить, работают ли наши математические модели в таких масштабах.

По материалам Quanta Magazine и WIRED.