Телепараллельная гравитация бросает вызов Альберту Эйнштейну

В 1919 году во время солнечного затмения Артур Эддингтон наблюдал, как свет огибает Солнце, как и предсказывала общая теория относительности Альберта Эйнштейна, передает Альтернативная наука.

Теория относительности и ее альтернативы

Теория относительности, согласно которой такие массивные объекты, как звезды, искривляют вокруг себя ткань пространства-времени, прошла ни одну точную проверку. Редкий год обходится без нового эксперимента или наблюдения, подтверждающих ОТО. Но есть одна загвоздка.

Невидимые субстанции, темная материя и темная энергия, составляют около 95% вещества Вселенной. Рабочее предположение состоит в том, что темная материя состоит из несветящихся элементарных частиц, а темная энергия - это энергия самого пространства.

Но также возможно, что это иллюзии, возникающие из-за того, что гравитация работает не так, как думал о ней Эйнштейн.

"Мы вызываем эти загадочные вещи, - говорит космолог Селия Эскамилья-Ривера. - Я глубоко убеждена, что нужны альтернативные теории гравитации".

Эскамилья-Ривера ищет другую, более полную теорию. На сегодня было выдвинуто огромное количество альтернатив общей теории относительности, от "телепараллельной гравитации" до "сложной квинтэссенции" и "космологии отрицательной массы", но они долгое время казались теоретическими фантазиями. Поскольку космологи не могут создать эксперименты, способные отличить эти теории от от теории относительности, идеи превратились в пыль.

По словам Эскамилльи-Риверы, ситуация начинает меняться в эру прецизионной космологии - области, одним из пионером которой она является. Точная космология объединяет большие и разнообразные массивы данных на основе новых статистических методов и машинного обучения.

"Благодаря этим данным можно открыть дверь и классифицировать все теории и сказать, какие из них работают, а какие нет", - говорит она.

Предлагаем интервью ph.d. Эскамилльи-Риверы, лпубликованного в издании Quantamagazine (с сокращениями)

Исследуя раннюю Вселенную и экстремальную среду черных дыр, Эскамилья-Ривера сделала вывод, что мы можем найти пробелы в общей теории относительности, которые освободят место для чего-то другого. Правда, такой подход не является общепринятым в среде космологов.

Общая теория относительности и выросшая из нее стандартная модель космологии так хорошо работают. Почему вы считаете, что нам нужно изменить или расширить понимание гравитации?

Проблема в том, что ОТО не является достаточно общей теорией. Если вы хотите объяснить темную энергию, эту невидимую энергию, которая, кажется, ускоряет расширение Вселенной, вам нужен дополнительный компонент в уравнении, - космологическая постоянная. Этот дополнительный компонент не существует в природе, и в общую теорию относительности его добавили искусственно.

Существует ли теория, которая естественным образом может продемонстрировать эффекты темной энергии, не прибегая к мистике? Вот почему я работаю над расширением теории или с модифицированными теориями гравитации.

Кроме темной энергии, какие еще загадки могут решить эти теории?

Общая теория относительности многое объясняет в природе, но она не поясняет, что произошло во время Большого взрыва или что происходит внутри черных дыр.

Сингулярность черной дыры математически очень похожа на сингулярность Большого взрыва - это точка, где нарушаются все известные законы физики.

Вопрос заключается в том, что если мы изменим или расширим ОТО, возможно, мы сможем объяснить эту причудливую точку, которая ломает все.

Общая теория относительности также не объясняет будущее Вселенной. Существуют интересные теории, утверждающие, что Вселенная снова разрушится в результате очередного Большого взрыва, называемого Большим кризисом Вселенной. Но мы этого не знаем, потому что ОТО неполна. Если мы найдем более полную теорию, то сможем получить ответы на подобные вопросы.

Все согласны с тем, что для описания черных дыр и Большого взрыва необходима фундаментальная квантовая теория гравитации. Обычно предполагается, что квантовая гравитация похожа на общую относительность во всей остальной Вселенной. Однако вы считаете, что другая теория будет работать лучше. Можете ли вы привести пример того, чем модифицированные теории отличаются от общей относительности?

Существуют скалярно-тензорные теории. Они более общие, чем общая теория относительности. Почему? Ну, ОТО описывает пространство-время с помощью математического объекта, называемого тензором.

В скалярно-тензорных теориях также есть объекты, называемые скалярами. Скаляр может быть чем-то физическим, например, массой или энергией, и он пронизывает все пространство-время.

Значит, он ведет себя примерно так же, как космологическая постоянная в общей теории относительности?

Именно так. За исключением того, что в скалярно-тензорную теорию вы ничего не добавляете, это вытекает из математики.

Впрочем, это не единственная альтернатива. В 1980-х годах произошел взрыв модифицированных теорий гравитации. Математически они они очень богаты, но при таком количестве теорий мы ограничены экспериментами и не в состоянии отличить их друг от друга.

Именно это привело вас в прецизионную космологию?

Когда я получила докторскую степень, 2014-й стал годом прецизионной космологии в Европе. Десять лет назад стандартным методом было взять телескоп и провести наблюдения; затем на основе полученных данных проверить свою теорию. Сейчас у нас много телескопов, собирающих данные разных типов из разных уголков Вселенной. С помощью машинного обучения, нейронных сетей и суперкомпьютеров мы их и обрабатываем. Что делает проверку теории более насыщенной.

Я была первой, кто опубликовал работу, где использовалось машинное обучение для изучения темной энергии в космологических моделях. Архитектура машинного обучения теперь может даже рассматривать большие наборы космологических данных и выводить теорию гравитации. Это новая эра.

Еще один новый способ проверить альтернативные теории - провести моделирование на суперкомпьютере. Вы можете управлять своей собственной вселенной и делать прогнозы о том, какая теория работает.

Когда, по вашему мнению, наблюдения начнут расходиться с общей теорией относительности?

Мы близки к этому. Я уверена, что недавно запущенный космический телескоп "Джеймс Уэбб" откроет новую дверь, которая приблизит нас к происхождению Вселенной. Мы увидим эпоху, когда водород и гелий сливаются, образуя первые галактики. Я подозреваю, что в этом случае общая теория относительности не будет работать, потому что энергия очень высока.

На какую альтернативную теорию вы бы поставили свои деньги?

Я бы поставила на телепараллельную гравитацию.

Чем она отличается от общей теории относительности?

В ОТО важным понятием является кривизна пространства-времени, которая говорит о распределении материи. Вы можете представить Солнце как большую массу, которую кладут на лист, затем этот лист начинает искривляться.

Эйнштейн сделал связь между материей и геометрией основой Вселенной. В условиях же телепараллельной гравитации Солнце формирует нечто похожее на торнадо. Поэтому вместо кривизны лист скручивается. Это называется кручением.

Телепараллельная гравитация на самом деле исходит из расчетов Эйнштейна в конце его жизни. Люди уже создавали новую математику, используя кручение. Эйнштейн увидел способ связать свою теорию, общую теорию относительности, с другой очень важной силой, электромагнетизмом. К сожалению, он не добился успеха, и его идея стала забываться.

Но некоторые теоретики продолжали работать над ней. Всего пару лет назад Джексон Леви Саид из Мальтийского университета обнаружил, что можно преобразовать язык телепараллельной гравитации в космологию - набор уравнений, связывающих все параметры, которые мы наблюдаем в природе, например, плотность материи.

Мы можем связать эту космологическую модель с экспериментами. Мы обнаружили, что уравнения соответствуют данным без ссылки на темную материю или темную энергию.

Какие существуют доказательства телепараллельной гравитации?

С математической точки зрения это очень элегантно. Но у нас пока нет экспериментов, доказывающих теорию, потому что на локальном уровне телепараллельная гравитация очень, очень похожа на общую относительность. Различия наблюдаются на примере ранней Вселенной и в ее далеком будущем.

Наблюдения ранней Вселенной с помощью аппарата "Джеймс Уэбб" станут первыми испытаниями телепараллельной гравитации. Если мы сможем объяснить образование первых галактик лучше, чем при помощи ОТО, это будет прекрасным тестом. Возможно, телепараллельная гравитация также сможет объяснить то, что мы видим на фотографиях черной дыры.

Вы имеете в виду недавние фотографии сверхмассивной черной дыры в галактике M87, сделанные телескопом Event Horizon Telescope. Что загадочного в этих фотографиях?

На одной из фотографий показаны магнитные поля вокруг черной дыры. Все линии поля следуют одному и тому же потоку; это очень элегантно. По этим линиям магнитного поля можно косвенно понять, что происходит внутри черной дыры. Она поглощает материю, которая находится рядом с ней, поэтому часть материи находится внутри горизонта событий, а часть - снаружи, и такое взаимодействие вызывает магнитное поле. Эти магнитные поля - самая сложная часть для понимания.

Одна из групп в рамках проекта "Горизонт событий" ищет решения в общей теории относительности. Но другая группа, в которую вхожу и я, идет другим путем, модифицируя и расширяя теорию гравитации.

Проблема в том, что для различения этих возможностей нам нужно больше данных. Сейчас идея состоит в том, чтобы снять фильм о черной дыре, чтобы увидеть ее эволюцию.

Возможно, это даст нам больше ограничений для теорий, которые мы хотим проверить.

Когда вы были ребенком, представляли ли вы, что в конце концов бросите вызов Эйнштейну?

Бросить вызов Эйнштейну? Возможно! Я думаю, это мечта любого ребенка, который хочет понять космос.