В рамках общей теории относительности и квантовой физики у исследователей не получается объяснить все данные наблюдений за космическими объектами. В этот раз ученые попытались описать Вселенную с точки зрения превращения энергии, и этот выбор позволил им составить стройное описание гравитации.
Гравитация — одно из четырех фундаментальных взаимодействий в нашей Вселенной. Эта сила притягивает предметы друг к другу, ее описывает общая теория относительности (ОТО).
Несмотря на свою долгую историю, ОТО не объясняет всех космологических явлений. Например, измеренная учеными космологическая постоянная, характеризующая свойства вакуума, значительно отличается от того, что предсказывает теория.
Дуэт физиков рассмотрел гравитацию с термодинамической точки зрения, как цикл Отто — термодинамическую конструкцию, описывающую работу бензиновых двигателей. Их выводы опубликованы в журнале Physical Review Letters.
«Мы задались вопросом: что если термодинамический процесс, лежащий в основе гравитации, не сводится к простому потоку тепла? В обычной термодинамике тепло почти никогда не описывает всю картину целиком: могут происходить химические реакции, расширение против поршня, совершаться работа или другие процессы. Поэтому мы добавили это недостающее “нечто” в рассмотрение без предвзятости о том, что получится на выходе», — пояснил старший автор статьи Жуан Магейжу (João Magueijo).
Ученые предложили описывать гравитацию как термодинамический цикл с дополнительными стадиями совершения работы. Именно отказ от вырожденного случая, в котором происходит только обмен теплом, открывает путь к новым теориям гравитации, включая те, где модифицируется закон сохранения массы и энергии.
Исследователи обнаружили, что выведенная ими теория гравитации допускает рождение или уничтожение материи и энергии. Тот факт, что, по выкладкам, закон сохранения энергии мог нарушаться, почти заставил их отказаться от своей теории.
Обычная материя должна тормозить расширение Вселенной, но это справедливо при стандартных законах сохранения энергии. В представленной модели обычная материя может приводить к ускорению расширения. Примененная ко Вселенной в целом, модель способна воспроизвести наблюдаемое учеными ускорение космического расширения без использования темной энергии, космологической постоянной или любых других объяснений.
Ученые понимают, что их работа пока близка к спекулятивной. Исследователи планируют развить ее и сравнить предсказания с имеющимися космологическими данными и экспериментальными результатами.
«Теперь предстоит большая работа по детальному сравнению модели с космологическими наблюдениями. Когда я начинал свою аспирантуру в 1990 году, в космологии можно было говорить почти все что угодно, потому что скудость данных это позволяла. С тех пор космология стала высокоточной наукой, управляемой данными. Любая новая идея теперь должна пройти испытание наблюдениями», — добавил Магейжу.