Наука и Техника

Наука И Техника
12 ноября 2015

Нужна ли нам новая теория гравитации?

В конце 1990-х физики, к своему ужасу, обнаружили, что расширение Вселенной не замедляется, а ускоряется. Ничто в «стандартной модели космологии» не могло это объяснить, и поэтому был изобретен новый термин для описания того, что движет ускорением: темная энергия.

Мы понятия не имеем, что такое «темная энергия», но если она существует, то должна составлять порядка 70% энергии всей Вселенной. И было бы неслыханным просить добавить дополнительную компоненту такого плана в стандартную космологическую модель. Поэтому другое объяснение заключается в том, что мы используем неправильные уравнения — неправильные теории гравитации — для объяснения темпа расширения вселенной. Возможно, если бы мы описали их другими уравнениями, не пришлось бы впихивать это огромное количество дополнительной энергии.

Альтернативная гравитация могла бы решить проблему темной энергии. Общая теория относительности — наше лучшее описание гравитации на текущий момент, и она была хорошо проверена на небольших масштабах; на Земле и в Солнечной системе мы не видим абсолютно никаких отклонений от нее. Но когда мы переходим на очень большие расстояния, включенные в космологию, кажется, что мы нуждаемся в улучшениях. Это включает изменение длины шкалы на 16 порядков (в десять тысяч триллионов раз больше). Было бы поразительно, если бы одна теория могла покрыть этот огромный диапазон масштабов, и поэтому изменение теории гравитации кажется не такой уж и безумной идеей.

Одной из реальных проблем создания теорий гравитации является то, что вам нужно быть уверенным, что ваша теория будет иметь смысл на очень больших космологических масштабах, не прогнозируя смехотворные для Солнечной системы вещи, вроде спирального спуска Луны на Землю. Увы, эти прогнозы анализируются мало. Космологи склонны фокусироваться на космологических свойствах и даже не всегда проверяют, позволяет ли их теория стабильно существовать звездам и черным дырам. Потому что если нет, придется сразу от нее отказаться.

За последние десять лет сотни исследователей перебрали самые разные способы изменить гравитацию. Отчасти проблемой является то, что существует так много теорий, что для проверки каждой из них по отдельности потребовалась бы вечность. Тесса Бейкер из Оксфордского университета проделала много работы, пытаясь придумать унифицированное описание этих теорий. Если вы можете свести их всех к единому математическому формализму, все, что вам нужно сделать, это проверить одну вещь, и вы будете знать, что это значит для всех остальных теорий.

«В процессе составления этой карты мы обнаружили, что много теорий выглядят очень по-разному сначала, но на математическом уровне все движутся в одном направлении. Это навело меня на мысль, что люди застряли на одном методе мышления, когда разрабатывают эти гравитационные теории, и есть еще пространство для разворота.

Не так давно я перешла к разработке способов для проверки математики — ограничивая ее в данных. К примеру, мы можем использовать гравитационное линзирование. Если вы возьмете массивный объект вроде галактического скопления, свет от объектов за ним будет искривляться гравитацией скопления. Если вы измените теорию гравитации, вы измените процент искривления. Обычно мы пропускаем каждую частичку данных, которая оказывается в наших руках, для ограничения этих рамок и проверки того, что работает.

Конкретно в этот момент данные, которые у нас есть, недостаточно хороши, чтобы провести различия между разными гравитационными моделями. Поэтому мы делаем много прогнозов для астрофизических экспериментов нового поколения, чтобы выяснить, какие методы проверки теорий гравитации будут полезны в дальнейшем».