Чи скасує LIGO теорію Ейнштейна?

16 жовтня фізики оголосили, що гравітаційно-хвильові обсерваторії "Advanced Laser Interferometer", LIGO і VIRGO, в рамках дослідницького проекту Європейської гравітаційної обсерваторії, виявили гравітаційні хвилі високої енергії від злиття двох нейтронних зірок.

За допомогою космічного телескопа Фермі було "записано" світло, що виходить з тієї ж області неба через 1,7 секунди після запису гравітаційних хвиль. Тепер вважається встановленим, що гравітаційні хвилі, які виникають під час зіткнення масивних тіл, рухаються зі швидкістю світла протягом 1/100 млрд. частки секунди.

До цього моменту існували сотні теорій всесвіту, які передбачали, що гравітаційні хвилі рухаються швидше за світло - явне протиріччя законам гравітації, відкритих Ейнштейном.

Ці теорії "дуже, дуже мертві", - сказав співавтор однієї зі статей, космолог Мігель Зумалакрарегу з Північного інституту теоретичної фізики NORDITA, Стокгольм, Швеція.

За його словами, "нам потрібно повернутися за шкільні парти і почати думати про інші альтернативи".

Найпопулярнішим поясненням прискореного розширення Всесвіту є гіпотеза, згідно з якою простір-час заповнюється якимось х-фактором, що називається темною енергією.

"Ви можете сприймати її як таємничу рідину, яка штовхає все і протидіє гравітації", - каже космолог Джеремі Сакштейн з Університету Пенсільванії, співавтор ще однієї теорії.

Радикальне нове дослідження намагається охарактеризувати властивості п'ятої сили, певної темної енергії, яка порушує загальну теорію відносності та яка сприймається тільки в масштабах космічної довжини, порівнянної з кількома галактиками.

Астрофізик Університету Пенсільванії Бхувнеш Джайн і його колега Сакштейн кажуть, що природа гравітації - це питання життя. Оскільки вчені можуть бачити все далі й далі, заглядати "вглиб" всесвіту, то виходить, що закони гравітації були розкриті під впливом цієї незрозумілої сили.

З'явилися і два типи теорій, кожна з яких по-новому намагається заповнити власні прогалини. Одні теорії стверджують, що вакуум простору має пов'язану з ним енергію, і ця енергія спричиняє спостережуване прискорення вже видимої матерії. Інший тип теорій працює в рамках "скалярно-тензорної" парадигми гравітації, яка ефективно встановлює п'яту силу, що впливає на гравітацію в космологічно великих масштабах.

Щоправда, існує ще й третій тип теорій, яка також у своїй основі сходить до "скалярно-тензорної" парадигми. Однак тут йдеться про відмову від методів аналізу математичними інструментами класичної фізики. Пріоритет віддається створенню "фізичної геометрії" простору-часу.

Як результат - альтернативне підтвердження вже відомих базових законів фізики, але при цьому - відмова від поняття "сили" взагалі, заперечення феномену "червоного зсуву", темної матерії/енергії та водночас - підтвердження гіпотези квазістаціонарного стану всесвіту. Наш світ, у рамках цієї парадигми, не розширюється, але продукує і простір, і час.

"Ці дві можливості радикальні по-своєму", - стверджує Джайн. - "Кажуть, що загальна теорія відносності правильна, але у нас є дивна нова форма енергії. Інші кажуть, що у нас немає нової форми енергії, що гравітація взагалі не описується загальною теорією відносності".

У найпростішій версії "альтернативників" виходить, що щільність шуканої темної енергії не змінювалася за всю історію Всесвіту, тому фізики називають її космологічною постійною. Не потрібно якихось змін гравітації, тому що гравітація добре протестована всередині сонячної системи.

Ідея космологічної константи відповідає спостереженням ширшого всесвіту, хоча й має деякі теоретичні труднощі. Питання лише у "фізичному" виявленні "темної матерії".

Крім того, різні методи вимірювання швидкості розширення всесвіту надають дещо різні значення: вимірювання, що ґрунтуються на спостереженні наднових, показують, що віддалені галактики прискорюються одна від одної зі швидкістю 73 кілометри за секунду в межах одного мегапарсека (близько 3,3 мільйона світлових років).

Але спостереження, отримані під час виміру мікрохвильового фону, демонструють, що швидкість розширення становить 67 км/с на мегапарсек. Це означає, що або одне з вимірювань помилкове, або теорія "темної енергії" потребує перегляду.

Тож замість того, щоб посилатися на фактор "темної енергії" на противагу теорії гравітації, "альтернативники" змушені шукати причини "ослаблення" гравітації.

"Важко побудувати теорію, яка прискорює всесвіт, не зіпсувавши при цьому сонячну систему", - каже космолог Тесса Бейкер з Оксфордського університету, співавтор ще однієї гіпотези.

"З моєї точки зору, будь-яка теорія з цієї царини вимагає масиву фактичних даних, який не перевіряється дослідним шляхом", - стверджує вона.

Також виходить, що в центрі галактики існує безліч потенційних чинників, здатних спотворити вимір гравітаційних хвиль, але "схоже, що вони ("альтернативники" - Alter Science) зробили всебічну й ретельну роботу з урахування цих даних".

"Це поле модифікованих теорій гравітації - зоопарк", - вважає Бейкер. Деякі вчені припускають, що гравітація просочується в додаткові виміри простору і часу, тоді як інша група фізиків пояснює прискорення розширення всесвіту довільним додаванням іншої таємничої сутності - можливо, невідомої частинки, - яка "підриває" гравітацію в міру еволюції Всесвіту.

Але в такому разі новий об'єкт мав би ще один вирішальний ефект: уповільнення швидкості світлових хвиль, подібно до того, як світло переміщується повільніше через воду, ніж через повітря. Це означає, що найкращі альтернативи "темної енергії" вимагають, щоб гравітаційні хвилі подорожували швидше за світло, чого не може бути, принаймні в рамках того знання, яке зараз ми маємо в своєму розпорядженні.

Водночас відкриття гравітаційних і світлових хвиль передбачає четвертий, незалежний спосіб вимірювання Всесвіту, що розширюється. Згідно з цим підходом, швидкість - це похідна двох зіткнень, і вона зафіксована на рівні 70 км/с за мегапарсек. Щойно LIGO та інші обсерваторії "записали" зіткнення з нейтронною зіркою, вони повинні були заявити, який вимір правильний і чи потрібна темна енергія для пояснення отриманих ефектів. Але гравітаційні хвилі вбивають ці моделі, хоча самі теорії виглядають по-своєму красивими.