Многие ученые считают, что общая теория относительности Эйнштейна нуждается в модификации. Какие новые доказательства укажут путь?
Прошло столетие с тех пор, как Эйнштейн опубликовал свою Общую теорию относительности, основанную на изгибе разума и пространства. Когда он прошел свое первое реальное испытание во время полного солнечного затмения 1919 года, когда изгиб света от далеких звезд вокруг нашего Солнца был точно таким, как предсказывала Общая теория относительности, Эйнштейн стал международной знаменитостью. Общая теория относительности заменила ньютоновскую модель гравитации как простой силы революционной идеей искривленного пространства-времени, которое динамически реагирует на массу и энергию.
С тех пор, и особенно в последние несколько десятилетий, общая теория относительности изящно объяснила гравитационную природу нашей Вселенной с самых ранних времен и в самых больших масштабах в космологии, до компактных и чрезвычайно искривленных областей пространства-времени вблизи черных дыр и нейтронных звезд (настолько близко, насколько мы еще смогли измерить), и даже здесь, во всей нашей Солнечной системе, где общая теория относительности позволяет атомным часам сохранять идеальное и синхронизированное время и, таким образом, GPS-устройствам предоставлять наше местоположение с точностью до нескольких метров. Снова и снова общая теория относительности проверялась со все возрастающей точностью с помощью новых и изобретательных астрономических наблюдений, и каждый раз теория Эйнштейна выдерживала испытание. Тем не менее, как это ни удивительно, существует широкое научное единодушие в том, что общая теория относительности почти наверняка не является окончательным ответом на гравитацию: что в определенном масштабе, при определенных обстоятельствах теория общей относительности разрушится.
Проблема заключается в очевидном конфликте между общей теорией относительности и другой доминирующей и успешной теорией физики-квантовой механикой. Квантовый мир, хотя, возможно, даже более противоречивый, чем теория относительности, был проверен с исключительной точностью и одновременно объясняет природу материи и предсказывает ее поведение на уровне субатомных частиц, атомов и молекул; он лежит в основе химии, природы материалов и всех технологий, которые управляют нашим современным обществом. Всепроникающая природа квантовой механики во всех аспектах современной физики, кроме гравитации, настоятельно предполагает, что гравитация должна быть частью той же самой структуры—что материя в планетарном или галактическом масштабе не должна вести себя иначе, чем материя в атомном масштабе.
Один хороший пример очевидного разрыва между общей теорией относительности и квантовой механикой можно найти в современной космологии. Все более детальные спутниковые измерения космического микроволнового фона-реликтового излучения, оставшегося после Большого взрыва в сочетании с наземными и космическими наблюдениями сверхновых и крупномасштабных структур во вселенной, привели к консенсусной модели, твердо основанной на общей теории относительности, которая прекрасно объясняет наблюдения. Тем не менее, модель предполагает, что более 95 процентов “вещества” в нашей Вселенной в настоящее время является для нас полной загадкой, знаменитая темная материя и темная энергия. Показывает ли нам общая теория относительности путь к новой физике через эти 95 процентов? Или это указывает нам на недостатки общей теории относительности?
Другой аспект — дилеммы-это ожидание того, что пространство-время общей теории относительности, поскольку оно реагирует на квантованные массу и энергию, также должно отображать квантовые характеристики. Но искривленное, плавно меняющееся пространство-время общей теории относительности сопротивлялось десятилетиям попыток квантования. Тем не менее, есть намеки, такие как все еще непроверенное предсказание Стефана Хокинга о квантово-механическом излучении от черных дыр. Поэтому ученые продолжают развивать теорию, рассматривая крайние точки масштаба или кривизны, где она может начать разрушаться. Чтобы сделать следующий большой шаг в фундаментальной физике, ученым теперь необходимо найти ограничения теории Эйнштейна. Возможность сделать это, а также заново изобрести или усовершенствовать теорию гравитации, теперь кажется все более имманентной.
Прямое наблюдение горизонта событий дает ответы на некоторые из самых фундаментальных вопросов, которые мы можем задать.
Эта возможность проистекает главным образом из нескольких попыток следующего поколения обнаружить и измерить гравитационные волны или непосредственно изобразить эффекты сильно искривленного пространства-времени. Гравитационные волны—это единственное оставшееся предсказание общей теории относительности, которое не было замечено, и если их характеристики отличаются от того, что предсказывает общая теория относительности, или если они не существуют, то дверь в Новую физику широко открыта. Раннее испытание будет проведено наземными лазерными интерферометрами, такими как LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory), которые стремятся обнаружить гравитационные волны с миллисекундными периодами, исходящие от пар черных дыр или нейтронных звезд, когда они вращаются все ближе и ближе друг к другу перед коалесценцией. Согласно Общей теории относительности, пары движущихся масс будут испускать гравитационные волны в пространстве-времени, подобно тому как движущиеся лодки вызывают рябь на поверхности пруда. Волны уносят энергию и импульс от систем, заставляя орбиты сжиматься, предсказание общей теории относительности, которое было подтверждено импульсами синхронизации от пульсаров в компактных двойных системах. Хотя прямое обнаружение гравитационных волн было бы еще одним подтверждением теории Эйнштейна, детальные формы этих волн потенциально могли бы указывать на проблемы с общей теорией относительности.
За пределами LIGO есть ряд запланированных попыток проверить Общую теорию относительности более непосредственно, некоторые довольно дорогие и длительные большие научные проекты, другие гораздо менее дорогие и потенциально способные к более быстрым результатам. К ним относятся:
· Крупный международный проект по созданию космического гравитационно-волнового интерферометра под названием LISA, который обеспечивал бы очень точные измерения гравитационных волн из массивных систем черных дыр; Соединенные Штаты недавно отказались от этого проекта, но уменьшенная версия, получившая название ELISA, планируется в Европе для разработки в 2020-х годах и запуска в середине 2030-х годов. Он будет обнаруживать волны с часовыми периодами от тысяч излучающих систем.
· Совсем другой наземный мега проект, массив квадратных километров, имеет тесты общей теории относительности в качестве одной из своих главных научных задач. Эта сеть радиотелескопов размером с континент сможет очень точно отслеживать пульсары-вращающиеся нейтронные звезды-в двойных системах, а также обнаруживать гравитационные волны очень большой длины волны от пар сверхмассивных черных дыр, вращающихся друг вокруг друга в центрах других галактик. Первая фаза СКА, как ожидается, будет введена в эксплуатацию только в 2024 году, а полный комплекс-не ранее 2030 года.
· Телескоп Event Horizon Telescope (EHT) использует сеть атомных часов для точной синхронизации существующих радиотелескопов вокруг планеты, превращая их в виртуальный телескоп размером с Землю. Обладая самой большой увеличительной силой, когда-либо достигнутой в астрономии, находится на пути к созданию первого изображения черной дыры и тем самым проверяет общую теорию относительности в самой экстремальной среде космоса. США возглавляют эту международную попытку “увидеть невидимое", которая может изменить наши представления о гравитации и квантовой механике и доказать раз и навсегда, что черные дыры существуют.
· Аналогичное усилие, называемое нано гравитацией, пытается непосредственно обнаружить очень низкочастотные гравитационные волны, точно рассчитывая пульсары и ища отклонения в этих в остальном чрезвычайно регулярных радиомаяках. Он обладает потенциалом для обнаружения этих волн при умеренных затратах и в течение нескольких лет. Эта работа, являющаяся частью более широкого международного сотрудничества, использует существующие радиотелескопы Green Bank и Arecibo, которые в настоящее время финансируются Национальным научным фондом, но нуждаются в дополнительной поддержке.
Теория общей теории относительности Эйнштейна является наиболее заслуженно центральной опорой в рамках современной физики. Однако отсутствие квантовой версии общей теории относительности наводит многих ученых на мысль, что эксперименты в будущем найдут свои ограничения. Хотя доказать, что Эйнштейн “ошибался”, было бы печальным моментом, создание новой, квантово-дружественной теории гравитации также стало бы монументальным достижением для прогресса фундаментальной физики.
Измерение тени массивной черной дыры.
Давняя цель в астрономии, математике и физике состоит в том, чтобы изобразить и разрешить во времени границу черной дыры-горизонт событий, где интенсивная гравитация препятствует даже выходу света. Если бы можно было приблизиться к горизонту событий, общая теория относительности предсказывает, что мы увидим "тень" на фоне светящегося сверх горячего газа, когда черная дыра поглощает и искривляет окружающий ее свет. Прямое наблюдение этой уникальной сигнатуры дает ответы на некоторые из самых фундаментальных вопросов, которые мы можем задать: существуют ли черные дыры? Справедлива ли общая теория относительности в условиях сильнейшей гравитации? Как сверхмассивные черные дыры влияют на эволюцию целых галактик?
Проект Event Horizon Telescope (EHT) направлен на реализацию этой цели с помощью метода очень длинной базовой интерферометрии (VLBI): объединение одновременных наблюдений через глобальную сеть радиопомех для создания телескопа размером с Землю. Используя передовую электронику для создания нового поколения приборов VLBI, проект достигнет увеличительной мощности в 2000 раз большей, чем у космического телескопа Хаббла. Главная цель-Стрелец А*, сверхмассивная черная дыра в центре Млечного Пути, имеющая массу около 4 миллионов Солнц и имеющая самый большой видимый горизонт событий в небе. Наблюдения с прототипом EHT подтвердили, что размер SgrA * очень близок к предсказанному общей теорией относительности значению, и это доказательство концепции привело проект к переломному моменту: в течение следующих нескольких лет перспективы визуализации этой черной дыры и отслеживания динамики падающей материи превосходны.
Основная задача ЭХТ заключается в формировании электронного "объектива", который объединяет данные, полученные на всех географических объектах, во многом так же, как зеркало фокусирует оптический свет в обычном телескопе. В настоящее время эти потоки данных объединены в небольшой специализированный компьютерный кластер. Но скорость передачи данных на каждом сайте должна превышать 8 Гбайт в секунду в течение двух лет, поэтому необходима система следующего поколения, способная обрабатывать этот поток данных. Инвестиции в размере 7 миллионов долларов обеспечат завершение работы над этим объективом EHT, включая усовершенствование алгоритмов эффективного формирования изображений. С учетом уже имеющегося финансирования со стороны NSF и международных партнеров для поддержки работы над отдельными телескопами инвестиции такого масштаба будут иметь значительные рычаги воздействия и обеспечат дальнейшее лидерство США в проекте.
