Давайте начистоту. Альберт Эйнштейн – это икона. Гений, чье имя стало синонимом слова "интеллект". Его Общая Теория Относительности (ОТО) – это, без преувеличения, один из величайших триумфов человеческого разума. Она перевернула наше понимание пространства, времени и гравитации, предсказала существование черных дыр и гравитационных волн, и легла в основу современной космологии.
Но, как говорится, нет предела совершенству. Даже у самых блестящих теорий есть свои границы. И вот, спустя столетие триумфа ОТО, в научном сообществе все громче звучат голоса, задающиеся вопросом: а что, если Эйнштейн был не совсем прав? Или, если быть точнее, – что, если его теория, гениальная и точная в своей области, является лишь частью гораздо большей, более сложной картины?
Нет, мы не собираемся опровергать ОТО на раз-два. Эксперименты и наблюдения раз за разом подтверждают ее справедливость в самых разных условиях – от Солнечной системы до далеких галактик. Но, как и любая научная теория, ОТО не является догмой. Наука – это вечный поиск, постоянное сомнение и стремление к более глубокому пониманию. Именно поэтому физики всего мира не сидят сложа руки, а активно разрабатывают модифицированные теории гравитации – альтернативные модели, которые пытаются исправить "ошибки" или, точнее, заполнить "темные пятна" в эйнштейновской картине мира. Зачем это нужно? Давайте разберемся.
Дело в том, что, несмотря на все свои успехи, ОТО оставляет после себя целый ряд нерешенных вопросов, настоящих "белых слонов" в гостиной современной физики. Эти "слоны" не то чтобы отрицают ОТО, но настойчиво намекают на то, что за горизонтом известного скрывается что-то еще, что-то более фундаментальное. Игнорировать эти "намеки" – значит, тормозить прогресс науки. Поэтому, как настоящие космические детективы, физики вооружаются новыми теориями и инструментами, чтобы выследить эти "темные пятна" и, возможно, переписать учебники физики.
Итак, каковы же эти "темные пятна", которые не дают нам покоя? И почему ученые всерьез задумываются о том, чтобы "подправить" самого Эйнштейна? Давайте заглянем под капот современной физики и посмотрим, что там к чему.
Темные пятна теории Эйнштейна
Первое и, пожалуй, самое зияющее "темное пятно" ОТО – это ее несовместимость с квантовой механикой. ОТО – это классическая теория, описывающая гравитацию как искривление пространства-времени. Квантовая механика, напротив, царит в микромире и описывает поведение частиц на атомном и субатомном уровнях. И вот тут возникает конфликт интересов. ОТО прекрасно работает на макроскопических масштабах – для описания движения планет, галактик и Вселенной в целом. Квантовая механика – незаменима в мире атомов и элементарных частиц. Но когда дело доходит до экстремальных ситуаций, где гравитация становится невероятно сильной, а квантовые эффекты – значимыми (например, вблизи сингулярностей черных дыр или в момент Большого Взрыва), ОТО и квантовая механика "ругаются" и отказываются работать вместе.
Проблема в том, что ОТО предсказывает существование сингулярностей – точек в пространстве-времени, где кривизна становится бесконечной, а плотность вещества – бесконечно большой. В сингулярностях известные нам законы физики, включая саму ОТО, перестают действовать. Это, мягко говоря, не очень-то устраивает ученых. Ведь сингулярности возникают в самых интересных и важных местах Вселенной – в центрах черных дыр и в начальный момент времени, когда родилась наша Вселенная. Получается, что в самых экстремальных и фундаментальных ситуациях ОТО "ломается" и не может дать нам ответы на главные вопросы. Чтобы исправить эту ситуацию, нужна теория, которая объединит гравитацию и квантовую механику – теория квантовой гравитации. Но пока, увы, такой теории у нас нет, и это – одно из главных "темных пятен" на карте современной физики.
Второе "темное пятно" – это темная материя и темная энергия. Давайте начистоту: мы понятия не имеем, что это такое! Мы знаем, что темная материя составляет большую часть массы галактик и скоплений галактик, но она невидима и не взаимодействует с электромагнитным излучением. Мы догадываемся, что темная энергия ответственна за ускоренное расширение Вселенной, но ее природа – еще большая загадка. И вот тут возникает вопрос: а не являются ли темная материя и темная энергия просто "костылями", которые мы используем, чтобы "подпереть" ОТО и заставить ее работать там, где она уже не справляется? Может быть, вместо того, чтобы искать экзотические частицы темной материи и придумывать загадочную темную энергию, стоит модифицировать саму теорию гравитации, чтобы объяснить наблюдаемые явления без привлечения этих "темных сущностей"? Именно этот вопрос и подталкивает физиков к разработке альтернативных теорий гравитации.
Испытание гравитации на прочность
Итак, "темные пятна" обозначены. Но как же проверить, действительно ли ОТО нуждается в "починке"? Ведь, как мы уже говорили, эксперименты и наблюдения пока что подтверждают ее справедливость. Да, это так, но важно понимать, в каких именно условиях проводились эти проверки. Большинство тестов ОТО были выполнены в условиях слабого гравитационного поля – в Солнечной системе, вблизи Земли, где гравитация не слишком сильна, а скорости движения объектов малы по сравнению со скоростью света. В этих условиях ОТО действительно работает безупречно, превосходя по точности даже Ньютоновскую теорию гравитации. Но что происходит в условиях сильного гравитационного поля – вблизи черных дыр, нейтронных звезд, в ранней Вселенной? Вот тут-то и начинаются интересности.
К счастью, современная наука не стоит на месте. В нашем распоряжении появляются все более мощные инструменты, позволяющие заглянуть в самые экстремальные уголки Вселенной и проверить гравитацию "на прочность". Например, наблюдения за двойными пульсарами – нейтронными звездами, вращающимися друг вокруг друга с огромной скоростью – позволяют с высочайшей точностью измерить эффекты сильного гравитационного поля и сравнить их с предсказаниями ОТО. И, надо сказать, пока что ОТО с честью выдерживает эти испытания. Но ученые не сдаются и ищут все новые способы "подловить" Эйнштейна на ошибке.
Настоящим прорывом в тестировании гравитации стала мультимессенджерная астрономия. Что это за зверь такой? Представьте себе, что раньше мы смотрели на Вселенную только "одним глазом" – через телескопы, регистрирующие электромагнитное излучение (свет, радиоволны, рентгеновские лучи и т.д.). Но электромагнитное излучение – это лишь один "мессенджер" из космоса. А ведь есть еще и другие! Например, гравитационные волны – колебания пространства-времени, предсказанные Эйнштейном еще сто лет назад, но обнаруженные лишь недавно. Или нейтрино – легчайшие частицы, способные проникать сквозь толщу вещества, неся информацию из самых глубин космических объектов. Мультимессенджерная астрономия – это как раз и есть "многоглазый" взгляд на Вселенную, использование всех доступных "мессенджеров" для получения максимально полной картины происходящего.
И вот, гравитационные волны и нейтрино открыли перед нами совершенно новую главу в тестировании гравитации. Например, регистрация гравитационных волн от слияния черных дыр и нейтронных звезд позволяет изучать гравитацию в самых экстремальных условиях, недоступных для обычных телескопов. А совместное наблюдение гравитационно-волновых и электромагнитных сигналов от одного и того же события (например, от слияния нейтронных звезд в 2017 году) дает уникальную возможность проверить фундаментальные принципы ОТО, например, принцип эквивалентности Эйнштейна, о котором мы еще поговорим.
Альтернативы Эйнштейну
Итак, мы подошли к самому интересному – к альтернативным теориям гравитации. Если ОТО, как мы выяснили, не идеальна и имеет свои "темные пятна", то что же предлагают ученые взамен? Неужели все эти годы мы шли не тем путем? Нет, конечно, никто не собирается выбрасывать ОТО на свалку истории. ОТО – это проверенная и работающая теория, но – как фундамент здания. Чтобы построить небоскреб научного знания, нам нужно укрепить этот фундамент, расширить его возможности, сделать его более универсальным. Именно этим и занимаются модифицированные теории гравитации – они не отвергают ОТО, а пытаются ее улучшить, обобщить, расширить, чтобы решить накопившиеся проблемы и открыть новые горизонты в понимании гравитации и Вселенной.
Существует огромное количество модифицированных теорий гравитации, и классифицировать их – задача непростая. Но мы попробуем выделить три основных направления, опираясь на классификацию, предложенную в научной статье, которую мы рассматриваем. Итак, поехали!
Первое направление – это метрические теории гравитации, сохраняющие локальную Лоренц-инвариантность (LLI) и калибровочную инвариантность. Звучит страшно, но на самом деле все не так уж и сложно. Эти теории остаются в рамках метрической теории гравитации, где гравитация описывается искривлением пространства-времени, но вносят модификации в само действие Эйнштейна-Гильберта – основное уравнение ОТО. Вместо того, чтобы быть линейным по скалярной кривизне R, действие становится функцией от R – f(R) гравитация. Примерами таких теорий являются квадратичная гравитация и теории Ловлока. Эти теории направлены на решение проблем квантовой гравитации и космологической инфляции – сверхбыстрого расширения Вселенной на ранних этапах ее существования.
Второе направление – это теории гравитации, нарушающие локальную Лоренц-инвариантность (LLI). Тут мы выходим за рамки классической ОТО и допускаем, что симметрия Лоренца, основополагающий принцип теории относительности, может нарушаться на фундаментальном уровне. Как это возможно? Представьте себе, что пространство-время – это не пустота, а некая среда, "эфир", который оказывает влияние на распространение света и гравитации. В таких теориях появляется выделенная система отсчета, связанная с этим "эфиром", и симметрия Лоренца нарушается. Примером такой теории является Эйнштейн-эфирная теория, вводящая в действие векторное поле, связанное с "эфиром". Другой пример – Horava-Lifshitz гравитация, предлагающая анизотропное масштабирование пространства и времени на малых масштабах, также нарушая LLI. Эти теории мотивированы попытками решить проблемы квантовой гравитации и космологии, а также объяснить некоторые астрофизические наблюдения.
Третье направление – это теории гравитации, нарушающие принцип эквивалентности Эйнштейна (EEP). EEP – это один из фундаментальных принципов ОТО, утверждающий, что гравитация эквивалентна ускорению, и что все тела движутся в гравитационном поле одинаково, независимо от их массы и состава. Но что, если это не так? Что, если гравитация действует на разные частицы по-разному? Именно такую возможность рассматривают теории, нарушающие EEP. В основном, это скалярно-тензорные теории, вводящие в действие скалярное поле вместе с метрическим тензором ОТО. Примером такой теории является TeVeS (Tensor-Vector-Scalar) теория, предложенная Бекештейном и Мильгромом как релятивистское расширение MOND (Modified Newtonian Dynamics) – модифицированной ньютоновской динамики, пытающейся объяснить аномалии вращения галактик без темной материи. Эти теории мотивированы попытками объяснить темную материю и темную энергию, а также решить ряд космологических проблем.