Tweeter button Facebook button Youtube button

Как Стюарт Маронгве вынес три скелета из шкафа ОТО

28/01/2016
By

print
Какая у вас замечательная теория, какое прекрасное совпадение с экспериментом. А вот это что у вас такое в формуле? Ах, подгоночный коэффициент... Из разговора на одной конференции

Какая у вас замечательная теория, какое прекрасное совпадение с экспериментом.
А вот это что у вас такое в формуле? Ах, подгоночный коэффициент...
Из разговора на одной конференции

В прошлом году весь мир отмечал юбилей удивительнейшего творения Альберта Эйнштейна — общей теории относительности. В ней ньютоновские силы всемирного тяготения даны как искривление окружающего нас пространства-времени.

Теория Эйнштейна впервые нашла подтверждение через четыре года после ее опубликования — во время солнечного затмения в 1919 году (к этому мы еще вернемся). Когда Эйнштейна спросили, как бы он отреагировал, если результат оказался бы отрицательным, он ответил: «Тогда мне было бы жаль Господа Бога, теория-то всё равно верна».

До сих пор не угасает накал страстей вокруг физических, астрономических и философских следствий из ОТО. Каждый год появляются подтверждения, дополнения, расширения и, разумеется, опровержения великого творения Эйнштейна. Однако фундамент ОТО пока непоколебим. Между тем историки науки до сих пор находят неизвестные работы Эйнштейна, в которых он строил удивительные модели Вселенной.

Гравитационный ландшафт мироздания

Об интригующей «сверхуниверсальности» гравитации, которая проникает сквозь любую материю и заполняет все пространство Вселенной, задумывались многие выдающиеся мыслители. Наиболее совершенную форму этим мыслям придал Исаак Ньютон, построив Теорию мира. В ней гравитация — это сила, которая связывает любые тела, обладающие массой. Причем связывает мгновенно. Теория была прекрасной: она позволила описать движения почти всех тел Солнечной системы и даже открыть «на кончике пера» девятую планету — Плутон (сегодня Плутон из списка планет вычеркнут, но значение открытия от этого не уменьшилось). На досадную мелочь — движение ближайшего к Солнцу Меркурия несколько отличалось от расчетного — можно было и закрыть глаза.

Эта прекрасная картина испортилась в начале XX века, когда специальная теория относительности отказала в возможности передавать какое-либо воздействие со скоростью, большей скорости света. Иными словами, мгновенно действующая на больших расстояниях сила оказалась невозможной. Для того чтобы ликвидировать это противоречие, и пришлось отказываться от ньютоновского принципа дальнодействия — взаимодействия с помощью сил и переходить к близкодействию — взаимодействию с помощью поля.

По Эйнштейну, гравитация оказалась ни много ни мало деформацией пространства-времени, которую осуществляет тело, обладающее массой, а в силу эквивалентности массы и энергии (вспомним Е=mс2) это способна делать и энергия. Понять смысл гравитационного рельефа пространства-времени далеко не просто, однако некоторые его особенности можно легко проиллюстрировать известной «резинотянутой» аналогией. Например, если массивный биллиардный шар продавит углубление в туго натянутой резиновой пленке, то маленький шарик от детского биллиарда изменит свое движение в окрестностях резиновой воронки. Точно так же ведут себя и массивные небесные тела. Самую большую «воронку пространства-времени» создает Солнце. При этом наше светило так искажает окружающее пространство-время, что орбиты планет оказываются незамкнутыми, их перигелии, то есть точки отхода на самое далекое расстояние от него, при каждом обороте оказываются в новом месте, совершая прецессию. Давным-давно этот эффект был замечен при движении Меркурия, и лишь ОТО дала возможность объяснить эту странность. Ныне же точные приборы выявили эффект и у других планет.

Луч света, проходя рядом с массивным телом, для стороннего наблюдателя как будто отклоняется от прямолинейного движения, притягивается к телу. На самом деле свет летит по прямой, но прямая в деформированном пространстве становится дугой. Этот эффект сейчас активно используют астрономы, разглядывая далекие объекты с помощью так называемого гравитационного линзирования, а в 1919 году зафиксированное смещение звезд, видимых на небосводе во время солнечного затмения в непосредственной близости от Солнца, послужило первым независимым обоснованием справедливости ОТО. Тут, правда, не обошлось и без некоторого недоумения: впоследствии при анализе этих опытов возникли подозрения, что проводивший измерения пылкий сторонник новой теории Артур Эддингтон вряд ли мог сделать их с необходимой точностью — сотые доли угловой секунды.

В 1964 году был обнаружен еще один эффект, получивший свое название в честь первооткрывателя — Ирвина Шапиро: замедление радиосигнала при прохождении рядом с Солнцем. Проверить это было довольно легко, направив сигнал на Марс и Меркурий, когда они находились напротив Земли, и поймав его отражение. Задержка составила вполне измеримые несколько микросекунд. Впоследствии с помощью отражения сигнала от посадочного аппарата «Викинга» на Марсе, местонахождение которого было точно известно, эффект Шапиро измерили с точностью 0,1%.

Свет, идущий от тяжелого объекта, например от того же Солнца, краснеет — линии спектров известных элементов смещаются в красную сторону. Это хорошо известное гравитационное красное смещение. Причина его в том, что массивное тело замедляет ход времени, и, если масса очень велика, а прибор точен, это можно заметить. В 2010 году мастерство экспериментаторов достигло такого совершенства, что удалось выявить разный ход времени на разных высотах над поверхностью Земли. Это сделали исследователи из группы Холгера Мюллера (Калифорнийский университет в Беркли). Они использовали стоячую волну света, в ее узлах располагали облака сверххолодных атомов цезия. После выключения света эти облака вступали во взаимодействие между собой, и по его результатам можно было рассчитать вызванное гравитацией красное смещение. Впрочем, и эта работа оказалась под прицелом критики коллег.

Галактика на переднем плане (полоса, идущая по диагонали фотографии) так искажает траектории лучей света, что получается линза, позволяющая рассматривать детали далекой галактики — она видна в виде круга. Эти детали подсказали астрофизикам, что они видят столкновение двух молодых галактик. ESO/NASA/ESA/W. M. Keck Observatory

Галактика на переднем плане (полоса, идущая по диагонали фотографии) так искажает траектории лучей света, что получается линза, позволяющая рассматривать детали далекой галактики — она видна в виде круга. Эти детали подсказали астрофизикам, что они видят столкновение двух молодых галактик. ESO/NASA/ESA/W. M. Keck Observatory

Из-за того, что вращающееся тело так же искажает окружающее пространство-время, часы, двигающиеся в направлении вращения, будут, с точки зрения стороннего наблюдателя, спешить, а двигающиеся против — отставать. Обнаружить эффект можно с помощью гироскопа, ось которого в деформированном пространстве станет определенным образом смещаться, прецессировать. Напомним, что ось вращения гироскопа всегда указывает в одном и том же направлении, и отклониться она может, только следуя деформации самого пространства-времени. Такие опыты в 2004–2005 годы провел космический аппарат «Gravity Probe В». Сначала обработка результатов выявила лишь эффект от собственно гравитационного искривления пространства, однако к 2011 году, то есть за шесть лет расчетов, тщательное исключение различных факторов, влияющих на измерения, позволили получить и предсказанный теорией вклад от своеобразного «закручивания» пространства вращающейся Землей.

Следствия из уравнения

Эйнштейну удалось не просто предложить идею, но и вывести формулу для расчета гравитации. Она, в сущности, приравнивает несколько преобразованный тензор деформации пространства-времени к тензору энергии-импульса материи. В уравнение входит и знаменитый лямбда-член Эйнштейна — добавка к тензору деформации, придуманная на случай нестационарной Вселенной. Это уравнение столь сложно, что известно лишь несколько его аналитических решений, дающих поле деформации вокруг разного рода массивных объектов. Так, решение Шварцшильда дает поле для массивного сферического незаряженного и невращающегося объекта, решение Керра — для вращающегося, Керра—Ньюмена — для заряженного вращающегося. Соответственно теперь в астрофизике присутствуют черные дыры Шварцшильда, Керра и Керра—Ньюмена. Есть и несколько других решений. А численно решать уравнение Эйнштейна очень сложно, и потребовалось не одно десятилетие для выработки приближенных методов расчета, которые сегодня позволяют строить компьютерные модели как бездонных провалов черных дыр, так и апокалиптических событий вроде столкновений галактик.

При движении спутника в поле искажений пространства-времени, вызванных вращением Земли, ось установленного на нем гироскопа смещается. James Overduin, Pancho Eekels, Bob Kahn

При движении спутника в поле искажений пространства-времени, вызванных вращением Земли, ось установленного на нем гироскопа смещается. James Overduin, Pancho Eekels, Bob Kahn

Сама по себе ОТО уже породила много удивительных концепций, таких, как модели «кротовых нор», испаряющихся черных дыр и теорию Большого взрыва в ускоренно расширяющейся Вселенной.

История развития ОТО полна драматизма. Одно время считалось, что мы обитаем в статичном бесконечном мире, поэтому Эйнштейн и ввел в свою модель космологическую постоянную, тот самый лямбда-член, который мешает гравитационным силам сжать мир в точку. Затем появились иные структуры пространства-времени. Советский теоретик А. А. Фридман предложил нестационарную Вселенную, причем из-за того, что лямбда-член в ней был равен нулю, нестационарность обеспечивалась веществом: при разных значениях его плотности Вселенная либо разлеталась, увлеченная Большим взрывом, либо катастрофически сжималась в Большом хлопке под действием гравитации. Схожую модель независимо от него построил бельгиец Жорж Леметр, у него расширение исходно стационарной Вселенной начиналось из-за флуктуаций плотности вещества. Голландец Виллем де Ситтер предложил Вселенную, в которой все, наоборот, определялось именно лямбда-членом, а не веществом. Она также оказалась нестационарной. Теперь считается, что эта модель работает на ранних стадиях, обеспечивая первичную космологическую инфляцию — ускоренное расширение «по экспоненте» в первые доли мгновения, а затем уже начинает формироваться Вселенная Фридмана—Леметра. На современном этапе Вселенная снова возвращается к режиму де Ситтера со все более падающим влиянием гравитирующей материи. Правда, желание сохранить гармонию мира сыграло с основоположниками злую шутку: Эйнштейн и де Ситтер в 1932 году опубликовали статью, где обнулили космологическую постоянную, позволив Вселенной расширяться.

Новый подход к старым проблемам

Неожиданное библиографическое открытие недавно сделали ирландские исследователи из Уотефордского института технологии. Им удалось обнаружить немецкую статью Эйнштейна 1931 года «К космологической проблеме общей теории относительности». В ней рассматривается модель пульсирующей Вселенной, рождающейся и исчезающей в «космологической сингулярности». Оказывается, именно тогда Эйнштейн впервые попытался исправить «свою главную ошибку» и решительно свел к нулю космологическую постоянную. Здесь же Эйнштейн впервые предпринял попытку оценить размер Вселенной на основе расчетов Фридмана и получил около десятка световых миллиардолетий.

Заметим, что после совместной работы 1932 года с де Ситтером Эйнштейн отошел от развития космологических аспектов ОТО и целиком посвятил себя теории поля, пытаясь объединить относительность с квантовой теорией. Как известно, успех ему не сопутствовал...

Зато последующие открытия в конце XX века, заставили вновь восстановить космологическую постоянную в правах: наблюдения за сверхновыми в 1987 году показали, что Вселенная несколько миллиардов лет расширяется с ускорением. Поскольку именно лямбда-член уравнения Эйнштейна обеспечивает расширение в противовес гравитационному сжатию, его пришлось вновь вернуть, то есть решить, что та самая злополучная лямбда, коэффициент перед лямбда-членом или космологическая постоянная, нулю не равна. Нынче считается, что она имеет значение порядка 10–52 м-2, то есть близка к нулю, но все же не нуль. В результате отталкивание, вызванное космологической постоянной, проявляется на огромных, межгалактических масштабах. Но уж там оно проявляется очень сильно — именно лямбда-член, выступая в роли темной энергии, обеспечил ускоренное расширение Вселенной в современную эпоху и может даже привести к полному распаду вещества в далеком будущем, когда ее сила отталкивания превысит силу связи, например, нуклонов в атоме.

Вообще, современная теория космологии базируется на так называемой модели ΛCDM (от Lambda — Cold Dark Matter, лямбда — холодная темная материя). В соответствии с ней, из общей плотности энергии-массы Вселенной 69,2% приходится на темную энергию, отождествляемую с энергией вакуума и выраженную лямбда-членом, 26,8% — на темную материю, обладающую низкой энергией, 4,9% — на хорошо известную нам барионную материю, 0,5% на реликтовые нейтрино и 0,01% на реликтовое излучение.

Гадание на реликте

Однако наука не стоит на месте, и астрофизикам хочется знать, правильно ли записаны все связи в уравнениях ОТО. Кроме того, обе таинственные сущности — темная энергия и темная материя — требуют идентификации. Для того чтобы приблизиться к пониманию, они проводят все новые и новые измерения. Один из мощнейших методов — изучение реликтового излучения. Напомним, откуда оно взялось.

Спустя 230 тысяч лет после Большого взрыва температура Вселенной упала настолько, что электроны объединились с протонами, породив атомы водорода. В этом момент излучение отделилось от вещества и стало свободно путешествовать по Вселенной, а до того свободные электроны поглощали все фотоны. Эти-то фотоны последнего рассеяния до сих пор летят в разные стороны. Из-за расширения пространства длина их волны постоянно возрастает, то есть они становятся все краснее и краснее. Самое интересное, что это излучение несет немало информации как о рождении вещества, так и о дальнейшей судьбе Вселенной. В частности, если темная энергия — это вовсе не космологическая постоянная или если гравитационное взаимодействие отнюдь не всегда было таким, каким мы его знаем, то параметры реликтового излучения и его неоднородности изменятся. Это можно выявить с помощью некоторых эффектов. Так, согласно эффекта Сакса—Вольфа в красном смещении реликтовых фотонов есть вклад от полей гравитации в пройденных ими за миллиарды лет областях пространства, а гравитационное линзирование, вызванное этими полями, неизбежно сглаживает реликтовый фон.

Выявление вкладов таких эффектов входило в задачу орбитальной обсерватории Планк, запущенной в космос Европейским космическим агентством в 2009 году. К 2013-му она закончила сбор данных, а окончательная их обработка была представлена научной общественности в феврале 2015 года. В той части работы, которая касалась проверки космологических выводов ОТО, результаты наблюдения реликтового излучения сравнивали с данными других экспериментов, например по гравитационному линзированию изображений галактик крупномасштабными структурами Вселенной или данными по сверхновым звездам. В результате удалось определить области применимости тех или иных моделей.

В целом, стандартная ΛCDM-модель неплохо соответствовала всем этим данным. Однако порой несколько лучше (но не сказать, что значительно, а совсем незаметно, в пределах ошибки измерения) вели себя некоторые альтернативные модели. В одной из них темной энергией оказывается вовсе не космологическая постоянная, а некая фантомная энергия. Так ее называют вот почему. Темную энергию принято представлять жидкостью, у которой есть давление и плотность энергии. Поведение этой жидкости — уравнение состояния — определяется отношением давления к плотности, которое обозначают буквой w, и его значение — отрицательное, то есть эта жидкость, вопреки интуиции, при увеличении давления теряет свою энергию. Если темная энергия — это космологическая постоянная, то w для нее равно –1 и поведение Вселенной в прошлом и будущем легко рассчитать. А если это фантомная энергия, у которой w меняется со временем, возможны нюансы. Например, когда w оказывается больше –1/3, Вселенная перестает расширяться, а если w станет меньше –2, то темная энергия когда-нибудь уничтожит всё сущее. Из данных Планка следует намек, что w со временем растет и сейчас оно несколько больше, чем положенные для космологической постоянной –1. Другая модель, которую не опровергли результаты Планка, делает возможной интересную теорию, согласно которой темная материя взаимодействует с гравитационным полем сильнее, нежели барионная материя, причем в таком усилении и в его изменении с течением времени ключевую роль играет темная энергия.

Будущие исследования позволят установить, связаны ли эти аномалии с погрешностями измерений или они действительно указывают на неизвестные физические закономерности, которые приведут к коррекции гравитационной теории Эйнштейна.

Скелеты в шкафу

Есть в шкафу ОТО и три скелета, дробный стук костей которых порождает все новые теоретические работы. Это неквантуемость гравитации, гравитационные волны и гравитоны. Почему две основные теории новой физики — относительности и квантовой механики — не стыкуются друг с другом, доподлинно неизвестно, хотя почти каждый уважающий себя физик-теоретик имеет по этому поводу свое мнение. В результате на свет появляются тысячи работ, среди которых, увы, пока еще нет общепризнанных. А пока физики-теоретики безрезультатно бьются над «сшиванием» ОТО и квантовой механики, экспериментаторы так же безуспешно пытаются найти гравитационные волны и «частицы гравитации» — гравитоны. Так что в отсутствии реальных данных теоретикам остается только всячески развивать спекулятивные теории вроде суперструнных построений и петлевой квантовой гравитации. Некоторые и вовсе отправляют гравитоны в дополнительные измерения, надеясь так объяснить чудовищное, в миллиарды миллиардов раз, несоответствие величины сил гравитации и, скажем, электромагнетизма. А найти гравитоны надеются с помощью самого мощного земного прибора — Большого адронного коллайдера.

Приз здесь очень велик (не считая обязательной поездки в Стокгольм), ведь удастся прояснить величайшие тайны пространства, времени, материи и рождения нашего мира в чудовищной сингулярности Большого взрыва.

«Сцепление» двух теорий

Физики создали немало теорий квантовой гравитации, и новые появляются чуть ли не каждый год — многим хочется разгадать тайны темной материи и энергии. Один из свежих примеров — работа Стюарта Маронгве, который в 90-е годы был лиценциатом кубинского Университета Хосе Варона, а на момент публикации своей основополагающей статьи «Nexus: A Quantum Theory of Space-Time, Gravity and the Quantum Vacuum» (International Journal of Astronomy and Astrophysics, 2013, 3, 236–242, DOI:10.4236/ijaa.2013.33028) — научным сотрудником ботсванского Колледжа Мак-Коннела. Поскольку теория Nexus (от латинского слова связь) вызвала пристальный интерес многих физиков, остановимся на ней подробнее.

Современные теории квантовой гравитации можно разделить на две большие группы, пишет Маронгве. Одна группа — это теории петлевой квантовой гравитации, где все пространство-время состоит из элементарных петель, как-то связанных друг с другом. Другая группа базируется на теории струн. Сам Маронгве выбрал первый подход и предложил провести квантование смещений, возникающих при деформации самого пространства-времени. Для этого он использовал прием из физики твердого тела. Там, чтобы проквантовать энергетические уровни свободных электронов, берут кристалл конечного размера и получают конечное число уровней энергии, на которых может пребывать электрон. В бесконечном же кристалле никаких дискретных электронных уровней получить не удается. Применительно к Вселенной Маронгве ограничил пространство сферой Хаббла. Такой сферой называют границу, вне которой объекты, в силу расширения пространства, удаляются от нас со скоростью, большей скорости света, — то есть мы их никогда не увидим. Сфера Хаббла в таком случае — своего рода космологический горизонт событий, а ее радиус равен почти 14 миллиардам световых лет — это вся видимая нами Вселенная.

Проведя ряд элегантных математических процедур, Маронгве выяснил, что Вселенная разбивается на ячейки подобно кристаллической решетке, в которых расположены составленные из смещений пространства-времени частицы со спином 2. Каждая такая частица состоит, само собой, из четырех компонентов — смещений по трем координатным осям пространства и по оси времени. Эти частицы Маронгве назвал гравитонами, решив таким образом избавиться сразу от двух скелетов в шкафу ОТО, и стал исследовать их свойства. Оказалось, что, подобно электронам в твердом теле, гравитоны занимают дискретные уровни энергии (каковых насчитывается 1060 штук), разделенные промежутками величиной 2,5·10-52 Дж. Исходя из соотношения неопределенности, он подсчитал, что гравитон самого верхнего уровня имеет энергию 1,4 ГДж, элементарный радиус 2,3·10-35 м, временной интервал (что бы это ни значило для описания свойств частицы) 7,6·10-44 с и массу 1,5·10-8 кг.

Такое изображение гравитона теории Nexus Стюарт Маронгве разместил в своем твиттере

Такое изображение гравитона теории Nexus Стюарт Маронгве разместил в своем твиттере

С появлением таких гравитонов уравнение Эйнштейна стало описывать процесс их испускания-поглощения; эта интерпретация и обеспечила долгожданную связь ОТО и квантовой механики. Каждый элемент четырехмерного пространства-времени способен испускать гравитон наименьшей энергии, переходя в более низкое энергетическое состояние. При этом элементарная ячейка расширяется, а кривизна пространства-времени в ней снижается. Это вполне естественный процесс, поскольку, согласно термодинамике, любой объект стремится занять состояние с минимумом энергии. Почему Вселенная оказалось в столь высокоэнергетическом состоянии, что уже 14 миллиардов лет не может достигнуть минимума, Маронгве не обсуждает. Зато приходит к выводу, что расширение Вселенной связано именно с эффектом распрямления когда-то скрученного пространства, и тогда темной энергией оказывается все возрастающий поток низкоэнергетических гравитонов. Обратный процесс, поглощение гравитона, ведет к сжатию пространства и увеличению его кривизны. Можно предположить, указывает Маронгве, что каждая частица материи связана с гравитоном, находящимся на характерном именно для этой частицы энергетическом уровне, и тогда гравитационная масса частицы создается «прилипшим» к ней гравитоном.

Сосредоточение гравитонов в какой-то ячейке пространства и есть то, что называют темной материей. Более того, если вызванная сосредоточением гравитонов кривизна пространства-времени распределена по ячейке равномерно, то имеющиеся в ней объекты станут вращаться. Так, если размер ячейки решетки 0,1 миллиона световых лет, то скорость составит 2,2 км/с, а если 10 миллионов световых лет, то 220 км/с. В частности, именно такую скорость стремятся обрести звезды Млечного Пути; с учетом того, что 100 км/с — как раз и есть порядок галактических скоростей, это предсказание недалеко от истины. А самые старые звезды Галактики должны вращаться со скоростью 500–600 км/с и располагаться на ее краю, поскольку с течением времени радиус орбит галактических объектов в теории Маронгве должен расти. И действительно, летом 2015 года исследователи из университета Нью-Мексико обнаружили, что 30% звезд Галактики сместились в радиальном направлении от тех мест, где они зародились. Это событие Маронгве радостно отметил в своем твиттере, предпочтя не заметить, что звезды мигрируют как прочь от центра Млечного Пути, так и к нему, а второе направление движения из его теории никак не следует. Подсчитал Маронгве и полную массу вещества в видимой Вселенной — 1,8·1053 кг. Это уже вполне проверяемый параметр.

Квантовые свойства гравитонов сказались и на черной дыре. В ОТО от взгляда стороннего наблюдателя скрыто все, что оказалось внутри сферы Шварцшильда, за горизонтом событий. У Маронгве же никакая частица не может попасть внутрь сферы, вполовину меньше шварцшильдовской. Более того, частицы внутри сферы Шварцшильда будут видны стороннему наблюдателю. Эти особенности убирают один из серьезных недостатков признанной модели черной дыры — потеря информации при падении в нее вещества. Возможно, когда хоть у одного кандидата в черные дыры будет найден горизонт событий, это предсказание удастся проверить.

Удалось Маронгве вынести из шкафа ОТО и третий скелет. Продолжая аналогию с твердым телом, он предположил, что гравитоны при своем движении рассеиваются на узлах решетки подобно фононам. Поэтому чем больше энергия гравитационной волны, тем меньше ее скорость. В этом причина ненаблюдаемости гравитационных волн. Впрочем, в шкафу теории Nexus имеется и свой скелет: ее гравитоны чрезвычайно похожи на частицы той самой всепроникающей жидкости с ненулевой вязкостью, иными словами, эфира, с которым и Эйнштейн, и создатели квантовой механики боролись всю жизнь.

На основе своих гравитонов Маронгве получил чуть ли не единую теорию поля. Сделал он это так. Гравитон — частица, состоящая из смещений по четырем осям пространства-времени. Каждое из этих смещений дает спин 1/2. В зависимости от взаимной ориентации этих спинов, которые при противоположенных направлениях обнуляют друг друга, получается три группы частиц. Первая — пара частиц со спином 2 (направленным вверх или вниз). Это гравитон Маронгве. Вторая — четыре пары частиц со спином 1. Такие частицы прекрасно известны физикам — это бозоны, переносчики взаимодействий, а именно фотон, глюон, Z- и W-бозоны. Третья — четыре частицы со спином 0. Одна из них известна — это бозон Хиггса. Три остальные — либо модификации бозона Хиггса, еще не найденные, либо частицы, не отмеченные в Стандартной модели. Таким образом, возникает возможность вывести все физические взаимодействия из одного источника — деформации пространства-времени.

Гладкие зерна Вселенной

Идею о зернистом строении Вселенной часто используют в физике. Так, в современной теории поля вакуум — это «пространственно-временная пена»: пространство на сверхмикроскопическом уровне теряет непрерывность, вспучиваясь «квантовой пеной» под действием скрытой энергии вакуума, постоянно порождая и уничтожая пары виртуальных частиц. Размер «пузырьков» этой пены чрезвычайно мал, для его оценки применяют так называемый планковский масштаб, названный так потому, что его рассчитывают из постоянной Планка. Например, планковское расстояние имеет порядок 10–35 м; планковское время — 10–44 с. Планковская масса интереснее — это масса черной дыры, шварцшильдовский радиус которой равен длине волны такого фотона, что его энергия равна энергии покоя этой дыры. Планковская масса относительно велика: 21,7 нанограмма, или 1,2·108 ГэВ. Как видим, это тот же масштаб, что у самого высокоэнергетичного гравитона Маронгве.

Работать на планковских масштабах пространства-времени нельзя ни одним прибором, поэтому выявлять зернистость строения вакуума можно пока что лишь косвенно. Одна из идей — выявить ее влияние на фотоны, которые были одновременно испущены какой-то далеко расположенной звездой или квазаром и миллиарды лет путешествуют по Вселенной. Траектория каждого фотона-близнеца оказывается уникальной, проходящей через пену разной геометрии. В результате на Землю они придут с некоторым разбросом времени. И эту задержку можно попытаться измерить.

Но где найти источник одновременно испущенных фотонов, убедиться, что это действительно фотоны-близнецы? В коротком гамма-всплеске у далекой звезды. Эти мощные и краткие вспышки излучения весьма интересуют астрофизиков, и их систематический обзор проводят орбитальные обсерватории, например обсерватория Ферми. Изучением фотонов-близнецов занимается несколько научных групп. Свежайшее исследование на эту тему в 2012 году опубликовал Роберт Немирофф с коллегами из Мичиганского технологического института.

Они рассматривали только фотоны высоких энергий, более 1 ГэВ. Из нескольких гамма-всплесков удалось выбрать один, где 11 фотонов образовали три группы, протяженностью менее одной тысячной доли секунды каждая. Расчет показал, что такие группы могли случайно получиться лишь с очень малой вероятностью, поэтому и было решено, что каждая из них составлена фотонами-близнецами. Ну а дальше было делом техники определить, какая зернистость пространства обеспечит такой разброс во времени прибытия. Ответ оказался неутешительным для Маронгве и многих других создателей квантовых теорий: масштаб энергии пенных пузырьков в полтысячи раз превысил планковский масштаб массы. Это очень много.

Гамма-луч, порожденный взрывом какого-то древнего объекта. ESO/A. Roquette

Гамма-луч, порожденный взрывом какого-то древнего объекта. ESO/A. Roquette

Принципиальная важность этого открытия состоит в том, что оно снимает кажущееся противоречие между ОТО и квантовой механикой, поскольку вакуум Эйнштейна — это та самая абсолютная пустота, которая никак не воздействует на квантовые частицы и никак не влияет на скорость фотонов. Что и подтвердили расчеты Немироффа.

Если данный результат получит многократное и всестороннее подтверждение, то он сильно повлияет на новые квантовые версии ОТО, в которых темная материя и темная энергия предстают разными проявлениями гравитации.

Несмотря ни на что, теория остается верной, как никогда...

Критики теории гравитации Эйнштейна чаще всего ссылаются на кажущуюся абсурдность выводов о наличии сингулярности у черных дыр с бесконечно сильными полями тяготения и стремящейся к бесконечности плотностью. Вот, например, аргумент академика А. А. Логунова, несколько десятилетий разрабатывавшего вместе с коллегами из Протвино теорию релятивистской гравитации: Эйнштейн свел гравитацию к чистой геометрии, что лишило возможности использовать закон сохранения энергия. Рассматривая гравитацию как физическое поле, подобное электромагнитному, можно исправить это упущение. В частности, черные дыры в теории Логунова заменены стабильными звездами с экстремальным красным смещением и радиусом чуть больше радиуса Шварцшильда. По внешнему виду их трудно отличить от кандидатов в черные дыры из теории Эйнштейна.

Ведущий немецкий физик-релятивист Паулу Фрейре из Радиоастрономического института Общества Макса Планка обычно отвечает на подобные обвинения весьма просто: во-первых, ОТО для сингулярного состояния еще не построена, во-вторых, мы ничего толком не знаем о реальных черных дырах. Более того, добавляет он, гравитационных коллапсаров воочию никто и не видел, корректно говорить лишь о «кандидатах» в черные дыры.

Таким образом, ученые проверяют ОТО вовсе не потому, что сомневаются в ее выводах, а потому, что хотят нащупать пути ее дальнейшего развития и расширения точно так же, как в свое время Эйнштейн обобщил всемирное тяготение Ньютона. Всего же альтернативных теорий гравитации насчитывается не один десяток, однако накапливаемые массивы экспериментальных данных накладывают все более жесткие ограничения на полет фантазии творцов теорий мироздания.

Международный творческий коллектив Фрейре уже долгие годы проверяет ОТО и до сих пор не обнаружил ошибок в теории Эйнштейна. Последняя работа германских физиков была связана с наблюдением экзотической звездной пары на расстоянии более 7 тысяч световых лет от Солнечной системы. Ученые исследовали так называемый белый карлик, оставшийся от колоссального голубого гиганта, и волчок пульсара, стремительно вращающийся со скоростью 25 оборотов в секунду.

При движении белого карлика вокруг крошечной нейтронной звезды возникают волны искажения пространства-времени, убегающие прочь. А сама нейтронная звезда работает радиопульсаром, что и позволило заметить этот интересный объект. ESO/L. Calçada

При движении белого карлика вокруг крошечной нейтронной звезды возникают волны искажения пространства-времени, убегающие прочь. А сама нейтронная звезда работает радиопульсаром, что и позволило заметить этот интересный объект. ESO/L. Calçada

Диаметр пульсара составляет всего пару десятков километров, но по весу он в два раза превышает наше светило. Такая диспропорция массы и размеров создает сильнейшее поле тяготения, в триста миллиардов раз превышающее земную гравитацию. Все это создает хорошие условия для проверки главного следствия ОТО — ускоренно движущиеся массы должны излучать гравитационные волны.

В теории такая пара будет настолько интенсивно излучать гравитационные волны, что, теряя энергию, звезды устремятся друг к другу, вращаясь все быстрее и быстрее. Согласно ОТО, время полного взаимного обращения звезд должно сокращаться приблизительно на восемь миллионных секунды в год. Группа Фрейре с помощью нескольких телескопов доказала, что прогнозы теории Эйнштейна и в этот раз выполняются самым точным образом.

И все же наиболее весомым вкладом в доказательство реальности построений ОТО стало бы прямое открытие гравитационных волн. На земле было построено много гравиметрических обсерваторий, однако ни одна из них так и не зафиксировала отголоски «гравитационного прибоя Вселенной». Может быть, это удастся сделать с помощью космической системы из лазерных интерферометров.

Речь идет о международном проекте, получившем название LISA, который предполагает запуск космической флотилии из нескольких гравитационных лабораторий, распределенных на дистанции в несколько миллионов километров друг от друга. Так могут быть получены важнейшие данные по космологическим гравитационным волнам, возникшим при рождении Вселенной в пучинах Большого взрыва. Тем самым, что вроде были открыты весной 2015 года (см. «Химию и жизнь», 2014, №4), а потом тихо закрыты под гнетом критики коллег.

Впрочем, надежды гравитационно-волновой астрономии связаны не исключительно с космосом. В различных лабораториях строят криогенные детекторы, например в виде металлических сфер метрового диаметра, охлаждаемые практически до температуры абсолютного нуля. Предполагается, что на высоких частотах такие детекторы могут превзойти по чувствительности самые совершенные лазерные установки.

В общем ОТО спокойно смотрит в будущее, не опасаясь дальнейших ревизий, и мало кто из ученых предполагает, что при его жизни появиться некая ОТО-2.

О.О.Фейгин

Источник Элементы

Tags: , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , ,

One Response to Как Стюарт Маронгве вынес три скелета из шкафа ОТО

  1. Лев on 06/02/2017 at 21:22

    СТО и ОТО ошибочны, так как основаны на неверном виде преобразований Лоренца (с потерянным масштабным множителем). Об этом подробно в моей брошюре 2000 года.На моём сайте: http://lev-verkhovsky.ru/

Оставить комментарий

Ваш email не будет опубликован. Обязательные поля отмечены *

Этот сайт использует Akismet для борьбы со спамом. Узнайте как обрабатываются ваши данные комментариев.

amplifier for 8 speakers
Алёна Петрова

ПОПУЛЯРНЫЕ

В началоВ начало
sonos multi-room music system zonebridge br100 sonos multi room music system zoneplayer zp120 + zp90 sonos multi-room music system zone bridge br100 box multi room speaker system airplay apple multi room speaker system