Ответвление общей теории относительности Эйнштейна столетней давности может оказаться перспективным для решения загадок тёмной материи, тёмной энергии и многих других
Для тех, кто занимается только мирскими проблемами, это может быть неочевидно, но у космологов, стремящихся раскрыть самые глубокие тайны Вселенной, нет недостатка в проблемах, которые не дают им спать по ночам. «Тёмная материя» — это краткое объяснение того, что галактики вращаются гораздо быстрее, чем это позволяет гравитация их видимой в телескопы материи. Не будем забывать и о «тёмной энергии» — предпочтительном решении загадки расширения Вселенной быстрее, чем кто-либо ожидал, причём ускоренными темпами. Между тем гипотетическая «эволюционирующая» форма тёмной энергии могла бы разрешить так называемое «хаббловское противоречие» — термин, используемый для обозначения основных разногласий между исследователями по поводу современной скорости космического расширения.
Космологи уже не одно поколение теряют сон из-за подобных загадок, гадая, какие недостающие ингредиенты им нужно добавить в свои модели, чтобы устранить, казалось бы, вопиющие пробелы в их понимании. Но что, если ответ на некоторые, а может, и на все эти проблемы даёт не новая радикальная теория, а старая, придуманная почти столетие назад не кем иным, как самим Альбертом Эйнштейном? Она называется «телепараллельной гравитацией», и, по мнению группы теоретиков, занимающихся её изучением, эта теория заслуживает более пристального внимания со стороны широкой научной общественности.
Тёмная материя, тёмная энергия, напряжение Хаббла: в основе этих теорий лежит общая теория относительности Эйнштейна, которая рассматривает пространство и время как единое «пространство-время» и считает гравитацию искривлением пространства-времени. Возможно, тогда ответ заключается в том, чтобы модифицировать, изменить или обновить саму теорию относительности, чтобы получить новое понимание гравитации, а не строить гипотезы о таинственных тёмных субстанциях и силах. Но на протяжении десятилетий теоретики, придерживающиеся этого общего подхода, получали в лучшем случае неоднозначные результаты.
Лучшим примером может служить модифицированная ньютоновская динамика (MOND) — попытка изгнать тёмную материю, которая, согласно некоторым исследованиям, всё ещё должна допускать существование некоторой тёмной материи. Более позднее дополнение, получившее название «космология временного ландшафта», пытается объяснить существование тёмной энергии, утверждая, что гигантские, лишённые материи «войды» в космосе гораздо больше, чем это можно предположить по большинству других измерений. Ни одно из этих возможных решений не обходится без собственных проблем.
Так что если новые идеи не работают, почему бы не вернуться к старому мастеру? В 1928 году, примерно через десять лет после завершения своего величайшего научного достижения, общей теории относительности, Эйнштейн начал работу над альтернативной формой этой ценной идеи. Его мечтой было найти единый набор уравнений, который мог бы описать и гравитацию, и электромагнетизм. Его кумир Джеймс Клерк Максвелл добился такого успеха в начале 1860-х годов, используя единый набор уравнений для описания электричества, магнетизма и излучения, и Эйнштейн надеялся пойти по стопам Максвелла.
Кривизна — основная концепция общей теории относительности. Материя и энергия указывают пространству, как изгибаться, искривляться и деформироваться. В свою очередь, этот изгиб пространства-времени сообщает материи, как двигаться. Эйнштейн смог использовать этот математический язык для описания гравитации, что само по себе было огромным успехом, но ему этого было недостаточно. Теория не смогла включить в себя описание электромагнитной силы. Поэтому он обратился к другому подходу, который обеспечивал большую гибкость: торсионному. В этой «телепараллельной» версии гравитации материя и энергия указывают пространству, как скручиваться, и это скручивание распространяется наружу и влияет на всё остальное.
Хотя Эйнштейн надеялся, что новая концепция сможет объединить гравитацию и электромагнетизм в одну теорию, он так и не нашёл пути к желанному объединению, и телепараллельная гравитация, похоже, умерла вместе с ним, когда физики сосредоточили свои усилия на изучении мощного и парадоксального квантового мира.
Но на протяжении многих лет теоретики то тут, то там возвращались к модели Эйнштейна, копаясь в её остатках в поисках чего-нибудь интересного, запрятанного в вычислениях. Они обнаружили, что если отказаться от попытки Эйнштейна включить в модель электромагнетизм, то можно сформулировать версии телепараллелизма, эквивалентные типичному математическому языку кривизны в общей теории относительности. Другими словами, если вы пытаетесь решить какую-то проблему в гравитации, вы можете выбрать базовую модель, кривизну или торсион, и получить те же результаты.
Более того, в 2017 году одно наблюдение потрясло мир модифицированных теорий гравитации. В тот год наблюдения за слиянием нейтронных звёзд показали, что гравитационные и электромагнитные волны достигли Земли с разницей в три секунды друг относительно друга, преодолев расстояние в 130 миллионов световых лет. Это убедительно свидетельствует о том, что гравитация и свет движутся практически с одинаковой скоростью. Поскольку многие теории модифицированной гравитации предсказывали небольшую, но существенную разницу между этими скоростями, их почти сразу же исключили.
Но телепараллелизм выжил, потому что он позволяет гравитации двигаться со скоростью света.
По сравнению с магнум опусом Эйнштейна, телепараллельная гравитация имеет гораздо более богатую и сложную математическую структуру. А это уже о многом говорит, учитывая, что общая теория относительности состоит из 10 безумно сложных, взаимосвязанных уравнений. Числовая сложность телепараллелизма — это и благословение, и проклятие. С одной стороны, она открывает широкие возможности для внесения изменений и корректировок в гравитацию — изменений, которые могут выдержать все существующие экспериментальные проверки и при этом проявиться так, чтобы объяснить тёмную материю и тёмную энергию.
С другой стороны, сложность задаёт жестокую кривую обучения для начинающих теоретиков, а также затрудняет создание жизнеспособных, проверяемых предсказаний для теории. А для широкой общественности всё это делает чрезвычайно трудным различение того, что является хорошей идеей, основанной на телепараллели, а что — мусором. А дополнительная сложность в дополнение к относительности придаёт теории некоторую тревожную двусмысленность. Не всегда ясно, когда запутанные математические структуры надёжно связаны с физической реальностью — другими словами, нет гарантий, что математика не взорвётся у вас на глазах, когда вы попытаетесь применить её к реалистичным сценариям. Возможно, именно поэтому большая часть современных исследований в области телепараллельной гравитации находится в значительной степени за пределами мейнстрима.
Но всё же прогресс был достигнут. Исследования телепараллельной гравитации идут по двум основным направлениям. Одна ветвь изучает саму теорию и её связь с общей относительностью. Теория Эйнштейна пережила множество экспериментальных проверок, от орбит планет в Солнечной системе до поведения чёрных дыр. Можно ли считать телепараллелизм столь же жизнеспособным? Остаются ли чёрные дыры под его эгидой похожими на чёрные дыры? Продолжится ли Большой взрыв? Будут ли звёзды и галактики вести себя как звёзды и галактики?
Пока что ответ кажется утвердительным, что стимулирует другую ветвь телепараллельных исследований: использование телепараллелизма для объяснения тех аспектов Вселенной, которые остаются загадочными в рамках стандартной общей теории относительности. Например, возможно, удастся сформулировать версию телепараллельной гравитации, которая пройдёт все экспериментальные тесты и при этом не будет нуждаться в тёмной материи, или объяснит ускоренное расширение Вселенной или разрешит хаббловскую напряжённость.
Эти попытки находятся лишь на начальной стадии. Существует огромное количество доказательств существования тёмной материи, ускоряющегося расширения Вселенной и реальности Хаббловского натяжения. Найти объяснения всему и при этом убедиться, что все наблюдения остаются последовательными и согласуются с теорией, очень сложно — особенно если речь идёт о сложной, малопонятной теории.
И ещё более сложная задача: убедить скептиков — самих учёных — в правильности такого подхода. Это потребует огромных усилий, причём в качестве окончательного арбитра выступит сама природа. Но есть и мощный стимул: если появится многообещающая теория, которая органично впишется в нашу сложившуюся картину космоса и при этом устранит хотя бы одну из соответствующих космологических загадок, а главное — сделает действительно проверяемое новое предсказание, это будет прорывом, по крайней мере, таким же значимым, как прорыв Эйнштейна, когда он впервые предложил искривлённое пространство-время. Это, мягко говоря, нелёгкая задача.
Но кто знает? Уж точно не вы и не я — во всяком случае, пока. Может быть, Эйнштейн был прав с самого начала — даже если в то время он этого не понимал. И все, что для этого требовалось, — небольшая изюминка.
Автор: SLY_G
