Столетие назад Альберт Эйнштейн в один день стал знаменитым. Конечно, он и до этого был уже хорошо известен среди физиков. Но мир в целом узнал его имя только после ноября 1919 года, когда появились новости о том, что его теория гравитации была подтверждена — к ужасу многих поклонников Исаака Ньютона.
Но, несмотря на триумф теории Эйнштейна — общей теории относительности — физики все еще задаются вопросом, столкнется ли она когда-нибудь с той же судьбой, что и закон Ньютона. Хотя гравитация Эйнштейна прошла все испытания, никто не знает наверняка, применима ли она везде, при любых условиях. В частности, нет никакой гарантии, что общая теория относительности будет господствовать во всем пространстве Вселенной. И несколько конкурирующих теорий были предложены за эти годы на тот случай, если это не так.
После того, как Эйнштейн предложил свою новую теорию, она в основном игнорировалась в течение нескольких десятилетий. Но во второй половине XX века общая теория относительности стала теорией Вселенной. Ее уравнения описывают состояния космоса от Большого взрыва до текущего быстро ускоряющегося расширения. И сегодня общая теория относительности завоевала всеобщую известность, поскольку ученые подтвердили ее экзотические предсказания, включая черные дыры и вибрации в пространстве, известные как гравитационные волны.
Искривление пространства-времени под действием гравитации.
Но череда успехов общей теории относительности не может быть бесконечной. Это правда, что теория Эйнштейна (наряду со Стандартной моделью) достаточно хорошо описывает наблюдаемую Вселенную. Это описание включает в себя огромное количество невидимой массы, известной как темная материя, наряду со специфической силой отталкивания, называемой темной энергией, наполняющей все пространство. Но существование темного вещества выводится из предположения, что общая теория относительности верна.
«Учитывая то, что нет других (негравитационных) свидетельств существования темного вещества, здравый смысл ставит под сомнение некоторые фундаментальные предположения, которые входят в доказательства. И главное предположение состоит в том, что общая теория относительности является основной теорией гравитации», — пишет астрофизик Педро Феррейра из Оксфорда в текущем Ежегодном обзоре астрономии и астрофизики. Если вы не предполагаете, что общая теория относительности действительно верна, то «свидетельства о темном веществе могут сигнализировать о нарушении общей теории относительности в космологических масштабах», — отмечает Феррейра.
Другими словами, вполне возможно, что нет никакого темного вещества. Если это так, то очевидное свидетельство его существования может фактически быть признаком того, что истинная космическая теория гравитации отличается от теории Эйнштейна. Если это так, то нынешняя картина космоса должна быть радикально перерисована.
Тем не менее, физики имеют много оснований для уверенности в надежности общей теории относительности. Во-первых, она решила сложную проблему, которая озадачила астрономов при изучении планеты Меркурий: ее орбита, рассчитанная по ньютоновской гравитации, не соответствовала действительности. Эйнштейн объявил о своей теории в 1915 году, как только смог показать, что она правильно предсказывает фактическую орбиту Меркурия.
Фото того самого солнечного затмения 1919 года.
Ключом к разгадке тайны Меркурия для Эйнштейна было понимание гравитации как эффекта геометрии пространства (или технически пространства-времени, поскольку его более ранние работы показали, что пространство и время неразделимы). Гравитация — это не взаимное притяжение массивных объектов, говорил Эйнштейн, а скорее результат искажения массой окружающего ее пространства-времени. Объекты вращаются вокруг или падают на массивное тело в зависимости от того, насколько сильно искривлено пространство-время вокруг него. Вместо того, чтобы реагировать на некоторую силу притяжения, массы просто следуют контурам геометрии пространства-времени.
Гравитация как геометрия привела к известному предсказанию, подтвержденному при затмении 1919 года. Эйнштейн указал на то, что искривление пространства-времени вблизи Солнца приведет к изгибанию света от далеких звезд при прохождении поблизости от него, изменяя видимое положение этих звезд с Земли. Это предсказание было подтверждено экспедицией на западноафриканский остров Принсипи в мае 1919 года во главе с британским астрофизиком Артуром Эддингтоном (увы — полное затмение в том году можно было наблюдать лишь рядом с экватором).
Команда Эддингтона обнаружила, что положения нескольких звезд были смещены на величину, указанную математикой Эйнштейна, и вдвое больше, чем получалось по закону Ньютона. Когда команда объявила результаты в ноябре 1919 года, газеты затрубили о необходимости «новой философии Вселенной».
За прошедшее столетие гравитация Эйнштейна прошла множество дополнительных испытаний, таких как впечатляющее обнаружение гравитационных волн, о котором сообщалось в 2016 году. Но проверить эту теорию при всех мыслимых условиях невозможно. И эксперты давно подозревают, что общая теория относительности не может быть верной в областях с чрезвычайно высокой плотностью масс. Например, в центре черной дыры уравнения теории больше не имеют смысла, поскольку они предполагают, что плотность материи станет бесконечной.
По многим причинам путешествие во внутреннюю часть черной дыры для проверки общей теории относительности — не самая лучшая идея. Но ученые могут исследовать черные дыры и оставаясь в безопасности на Земле. Они используют сеть телескопов Event Horizon Telescope для получения изображений области вблизи внешнего края черной дыры — ее горизонта событий (точки невозврата для чего-либо, попадающего внутрь). Такие изображения могут предоставить подробную информацию о том, как материя течет в черную дыру из аккреционного диска, кольца материала, находящегося на орбите за пределами горизонта событий.
Первое фото черной дыры.
«Анализируя структуру аккреционного потока», — пишет Феррейра, «можно будет исследовать структуру пространства-времени… и проверить, соответствует ли она общей теории относительности».
Гравитационные волны также могут дать детальное представление о гравитации в экстремальных условиях, например, при столкновении двух черных дыр. Анализ пульсаций пространства-времени, возникающих в результате таких столкновений, может выявить возможные недостатки в предсказаниях общей теории относительности.
Если общая теория относительности когда-нибудь потерпит неудачу, многочисленные конкурирующие теории гравитации, предложенные в последние десятилетия, будут ждать своего часа. Большинство из них сводится к добавлению новой силы в репертуар гравитации, электромагнетизма, сильной и слабой ядерных сил. Помимо гравитации, три другие известные силы точно описываются Стандартной моделью, набором уравнений, которые подчиняются требованиям квантовой механики. Однако общая теория относительности не учитывает квантовую математику, поэтому уже давно ведутся серьезные исследования по разработке теории, объединяющей гравитацию и квантовую теорию.
«Объединение общей теории относительности и квантовой физики широко рассматривается как наиболее выдающаяся открытая проблема в фундаментальной физике», — сказал физик Абхай Аштекар из Пеннского государственного университета. Большинство экспертов считают, что такая объединяющая теория повлечет за собой некоторую модификацию общей теории относительности.
Одним из способов модификации этой теории является введение нового энергетического поля, пронизывающего пространство. Сила такого поля в различных точках может изменить предсказания общей теории относительности о поведении материи.
Некоторые теоретики вместо этого предположили, что дополнительный источник искривления пространства-времени — еще один слой геометрии — может быть более плодотворным подходом. Есть и другие предложения, такие как теория суперструн, которая может изменить общую теорию относительности, допуская большее число измерений пространства, чем те три, с которыми мы привыкли работать. С некоторыми математическими манипуляциями все эти подходы сводятся к добавлению пятой силы.
До сих пор эксперименты, ищущие признаки новой пятой силы, ничего не нашли. Но эти испытания проводились в относительно небольших масштабах (по сравнению со Вселенной в целом). Возможно, общая теория относительности преобладает в этих экспериментах, потому что другие физические эффекты маскируют или экранируют отклонения, которые вызвала бы пятая сила. Но эффекты, отсеянные на малых масштабах, могут быть заметны на больших масштабах, пишет Феррейра. «Это неизведанная территория и одна из немногих нетронутых областей, где мы могли бы найти доказательства новой физики».
Другим проверяемым принципом общей теории относительности является ее требование, чтобы гравитация перемещалась со скоростью света. Гравитационные волны дают возможность проверить это. В 2017 году слияние двух нейтронных звезд в 130 млн световых лет от нас не только послало гравитационные волны на Землю, но и выпустило всплески электромагнитного излучения, включая рентгеновские и гамма-лучи, которые движутся точно с такой же скоростью, что и свет. Время прибытия электромагнитных лучей и гравитационных волн показало, что их скорости движения идентичны с отличной степенью точности, что исключает многие альтернативные теории гравитации, предсказывающие разницу.
Дальнейшие подобные тесты и более точные наблюдения других космологических особенностей (таких как остаточное микроволновое фоновое излучение, оставшееся с юности Вселенной) все еще могут когда-нибудь обнаружить недостатки в общей теории относительности. Если это так, то некоторые поклонники Эйнштейна могут быть разочарованы, но большинство физиков — нет. Они с удовольствием откроют новую главу в истории физики.
«Благодаря множеству пробелов в теории вселенской гравитации… можно надеяться, что новые силы и явления находятся на грани открытия», — пишет Феррейра. Но если теория Эйнштейна победит на гигантских космических расстояниях, говорит Феррейра, это будет утешительным призом. «По крайней мере, мы получим железобетонную теорию гравитации, проверенную в завидном диапазоне масштабов и режимов».
