Нові метрики перевизначать наново основні поняття фізики?

Перехитрити Альберта Ейнштейна стало ще складніше. Понад 100 років тому знаменитий фізик опублікував своє революційне пояснення гравітації, відоме як загальна теорія відносності (ЗТВ). На той момент, утім, як і сьогодні, теорія успішно пояснює все, від орбіт планет до викривлення зоряного випромінювання.

Проте деякі фізики намагалися винайти теорії, які вирішують головоломки, непідвладні ЗТВ, - наприклад, недоступність для вимірювання темної матерії, яка гравітаційно зв'язує галактики (як передбачається).

Перше пряме зображення чорної діри, опубліковане торік, є новим жорстким випробуванням для всіх теорій гравітації. Як академічних, так і альтернативних.

Астрономи спостерігають за небомУ 1915 році Ейнштейн припустив, що гравітація виникає через те, що масивні тіла, такі, як Земля, спотворюють простір і час. Цей викривлений простір-час, зі свого боку, спричиняє викривлення траєкторії об'єкта, що вільно падає, унаслідок чого виникає, наприклад, параболічна дуга гарматного ядра на Землі або еліптична орбіта Місяця.

У 1930-х роках учені виявили інший прояв ЗТВ: якщо досить масивна зірка витратить усе своє "паливо", її ядро схлопується до нескінченно малої точки, не залишивши по собі нічого, окрім гравітаційного поля, яке самопідтримується, - чорної діри, оскільки навіть світло не може вислизнути за її межі. Або до стану нейтронної зірки, як було доведено в недавньому дослідженні.

Тільки минулого року люди вперше побачили чорну діру безпосередньо. Передбачуваний об'єкт створений не однією зіркою, що колапсує, а, імовірно, утворився в результаті злиття безлічі чорних дір. Він ховається в центрі галактики, що знаходиться на відстані 53 мільйонів світлових років від нас, і важить у 65 мільярдів разів більше, ніж Сонце. Щоб його вивчити, команда з понад 180 астрономів і астрофізиків скоординувала роботу радіотушок по всьому світу - так з'явився телескоп Event Horizon (EHT).

Зображення в штучних кольорах має такий вигляд, як має бути: вогняне кільце, що оточує чорнильно-чорну крапку. Світіння походить від гарячого газу, який кружляє навколо об'єкта; у центрі розташована "тінь", яку відкидає чорна діра. Первісна оцінка розмірів тіні підтвердила спостереження.

Чорна діра в центрі Чумацького шляхуВодночас зображення ЧД не використовували для перевірки інших теорій гравітації, оскільки в астрономів не було простого способу обчислити, наскільки великою має бути тінь, якщо "працює" альтернативна теорія гравітації. Іншими словами, розміри, маса і навіть зовнішній вигляд об'єкта, - це, швидше, припущення, математична модель, що випливає з базових положень ЗТВ, ніж результат практичного спостереження, а тим більше вимірювання.

Тепер же астрофізики шукають спосіб перевірити власні вимірювання. Зробити це можна як за рахунок залучення альтернативних теорій, так і за рахунок розширення теорії Ейнштейна, - скажімо, шляхом більш точного опису того, як матерія та енергія деформують простір-час.

Проблема, як з'ясувалося, полягає в тому, що не кожна така теорія продукує метрику, принаймні щодо гіпотетичних об'єктів, а без математичних виразів не поміряєш ні викривленого простору-часу, ні навіть звичайної відстані від точки А до точки В.

Пропоновану метрику можна приблизно записати як інтеграл дрібніших математичних патернів.

  • Перший добре відомий і з його допомогою вже століття робляться передбачення в рамках "традиційного" ЗТВ.
  • Друга група змінних (формул) випливає з експериментів у нашій Сонячній системі. Йдеться про першу "постньютонівську" правку, наближену до нуля.

Методологія передбачає, що якщо правильно "запишеться" математика, що описує чорну діру, розмір тіні визначатиметься шуканою постньютонівською поправкою. Таким чином, щоб перевірити альтернативну концепцію гравітації, теоретикам потрібно обчислити значення, яке вона передбачає для другого постньютонівського параметра. Якщо значення виходить за межі певного діапазону і суперечить розмірам тіні (раніше отриманому результату), теорія вважається спростованою. Межу можливої помилки було знижено в 500 разів.

Дивно, що розмір тіні контролюється одним параметром, - стверджує Ілля Мендель, астрофізик-теоретик з Університету Монаша в Клейтоні. За його словами, існує певна комбінація з 23 параметрів, які визначають розмір тіні, і їх неймовірно складно розділити.

Але корисність тесту може бути обмежена, - сумнівається Емануель Берті, теоретик гравітації з Університету Джона Гопкінса, - оскільки в теоретиків немає достатньої кількості життєздатних альтернатив прийнятій теорії гравітації. За його логікою, складно придумати альтернативу, досить сильно відмінну від ЗТВ, щоб її можна було протестувати, але водночас поєднати з уже наявними даними.

Дослідники кажуть, що більш багатообіцяючим здається порівняння вимірювання конкретного параметра з вимірюваннями, отриманими з іншого джерела гравітації: злиття менших чорних дір або гравітаційні хвилі.

"Усі, хто проводить випробування гравітаційних теорій, намагаються говорити мовою постньютонівських параметрів, щоб ми могли провести порівняння", - каже Лія Медейрос, астрофізик з Інституту перспективних досліджень. Якщо пропоновані метрики будуть верифіковані, то ейнштейнівська теорія гравітації виявиться окремим випадком більш загальної теорії.

Джерело: Science.org

Поділитися:

Написати коментар