Эйнштейн должно быть ошибается: как общая теория относительности не может объяснить Вселенную

Теория гравитации Эйнштейна — общая теория относительности — пользуется успехом уже более века. Однако она имеет теоретические недостатки. Это неудивительно: теория предсказывает свой собственный провал в пространственно-временных сингулярностях внутри черных дыр и сам Большой взрыв.

В отличие от физических теорий, описывающих три другие фундаментальные силы физики — электромагнитную, сильное и слабое ядерное взаимодействие, — общая теория относительности была проверена только в слабой гравитации.

Отклонения гравитации от общей теории относительности отнюдь не исключены и не проверены повсеместно во Вселенной. И, по мнению физиков-теоретиков, отклонения должны иметь место.

Отклонения и квантовая механика

Согласно Эйнштейну, наша Вселенная возникла в результате Большого взрыва. Другие сингулярности скрываются внутри черных дыр: Пространство и время теряют там смысл, а такие величины, как плотность энергии и давление, становятся бесконечными. Они сигнализируют о том, что теория Эйнштейна там терпит крах и должна быть заменена на более фундаментальную.

Наивно полагать, что пространственно-временные сингулярности должны быть решены с помощью квантовой механики, которая применима на очень малых масштабах.

Квантовая физика опирается на две простые идеи: точечные частицы не имеют смысла; принцип неопределенности Гейзенберга, который гласит, что никогда нельзя с абсолютной точностью знать значение некоторых пар величин — например, положение и скорость частицы. Это связано с тем, что частицы следует рассматривать не как точки, а как волны; на малых масштабах они ведут себя как волны материи.

Этого достаточно, чтобы понять, что теория, включающая в себя и общую относительность, и квантовую физику, должна быть свободна от подобных патологий. Однако все попытки объединить общую относительность и квантовую физику неизбежно приводят к отклонениям от теории Эйнштейна.

Поэтому эйнштейновская гравитация не может быть окончательной теорией гравитации. Действительно, вскоре после представления Эйнштейном общей теории относительности в 1915 году Артур Эддингтон, наиболее известный тем, что проверил эту теорию на солнечном затмении 1919 года, начал искать альтернативы, чтобы понять, как может быть иначе.

Теория Эйнштейна до сих пор выдерживает все проверки, точно предсказывая различные результаты — от прецессии орбиты Меркурия до существования гравитационных волн. Так где же скрываются эти отклонения от общей теории относительности?

В результате столетних исследований мы получили стандартную модель космологии, известную как модель Λ-холодной темной материи (ΛCDM). Здесь Λ означает либо знаменитую космологическую постоянную Эйнштейна, либо загадочную темную энергию с аналогичными свойствами.

Темная энергия была введена астрономами ad hoc для объяснения ускорения космического расширения. Несмотря на то, что до недавнего времени модель ΛCDM очень хорошо согласовывалась с космологическими данными, с теоретической точки зрения она является крайне неполной и неудовлетворительной.

За последние пять лет она также столкнулась с серьезными наблюдательными противоречиями. Постоянная Хаббла, определяющая возраст и шкалу расстояний во Вселенной, может быть измерена в ранней Вселенной по космическому микроволновому фону, а в поздней Вселенной — по сверхновым в качестве стандартных свечей.

Эти два измерения дают несовместимые результаты. Что еще более важно, природа основных компонентов ΛCDM-модели — темной энергии, темной материи и поля, вызывающего инфляцию ранней Вселенной (очень короткий период чрезвычайно быстрого расширения, в результате которого зародились галактики и скопления галактик), — остается загадкой.

С наблюдательной точки зрения наиболее убедительным аргументом в пользу модифицированной гравитации является ускорение Вселенной, обнаруженное в 1998 году с помощью сверхновых типа Ia, светимость которых уменьшается из-за этого ускорения. Модель ΛCDM, основанная на общей теории относительности, постулирует наличие чрезвычайно экзотической темной энергии с отрицательным давлением, пронизывающей Вселенную.

Проблема в том, что эта темная энергия не имеет физического обоснования. Ее природа совершенно неизвестна, хотя предложено множество моделей. В качестве альтернативы темной энергии предлагается космологическая постоянная Λ, которая, согласно квантово-механическим расчетам (но сомнительным), должна быть огромной.

Однако вместо этого Λ должна быть невероятно тонко настроена до крошечного значения, чтобы соответствовать космологическим наблюдениям. Если темная энергия существует, то наше незнание ее природы вызывает глубокую тревогу.

Альтернативы теории Эйнштейна

Может быть, проблемы возникают из-за ошибочных попыток подогнать космологические наблюдения под общую относительность, подобно тому как человек влезает в слишком маленькие брюки? Что мы наблюдаем первые отклонения от общей теории относительности, а таинственной темной энергии просто не существует?

Эта идея, впервые предложенная исследователями из Неаполитанского университета, приобрела огромную популярность, в то время как противоборствующий лагерь темной энергии остается активным.

Как мы можем это определить? Отклонения от эйнштейновской гравитации сдерживаются экспериментами в Солнечной системе, недавними наблюдениями гравитационных волн и изображениями черных дыр вблизи горизонта.

В настоящее время существует обширная литература по теориям гравитации, альтернативным общей теории относительности, восходящая к ранним исследованиям Эддингтона 1923 года. Очень популярным классом альтернатив является так называемая скалярно-тензорная гравитация. Концептуально она очень проста, поскольку в геометрическое описание гравитации Эйнштейна вводится только один дополнительный компонент (скалярное поле, соответствующее простейшей бесспиновой частице).

Однако последствия этой программы далеко не тривиальны. Ярким явлением является «эффект хамелеона», заключающийся в том, что эти теории могут маскироваться под общую относительность в среде с высокой плотностью (например, в звездах или в Солнечной системе) и сильно отклоняться от нее в среде космологии с низкой плотностью.

В результате в системах первого типа дополнительное (гравитационное) поле фактически отсутствует, маскируясь под хамелеона, и ощущается только на самых больших (космологических) масштабах.

Текущая ситуация

В настоящее время спектр альтернатив эйнштейновской гравитации резко расширился. Даже добавление в эйнштейновскую гравитацию одного массивного скалярного возбуждения (а именно, спин-нулевой частицы) и сохранение «простоты» полученных уравнений, чтобы избежать некоторых известных фатальных неустойчивостей, привело к появлению гораздо более широкого класса теорий Хорндески и последующих обобщений.

Последнее десятилетие теоретики потратили на извлечение физических следствий из этих теорий. Недавние обнаружения гравитационных волн позволили ограничить физический класс допустимых модификаций эйнштейновской гравитации.

Однако многое еще предстоит сделать, и мы надеемся, что будущие достижения в области астрономии с несколькими мессенджерами приведут к открытию модификаций общей теории относительности, в которых гравитация является чрезвычайно сильной.