До узагальненої версії теорії відносності Ейнштейна

Темна енергія посідає центральне місце в сучасній космології. Ми знаємо, що Всесвіт розширюється зі швидкістю, що постійно збільшується, і найяскравіше пояснення полягає в тому, що це відбувається за рахунок якоїсь енергії.

Темна енергія і космологічна постійна

Оскільки ця енергія не випромінює світло, ми називаємо її темною. Але просто дати назву фізичному явищу ще не означає знайти логічне пояснення. Ми будуємо здогадки про ефекти, спровоковані темною енергією, хоча її фундаментальна природа, можливо, є найбільшою науковою загадкою.

Найпопулярніша ідея полягає в тому, що вона є простором-часом, який проявляється невідомим нам способом.

Звичайно, до загальної теорії відносності Ейнштейна можна включити будь-який додатковий елемент. Наприклад, космологічну постійну, яка реально не існує в природі. Тим паче що Всесвіт може розширюватися і без космологічної постійної, - цей елемент необхідний тільки заради доказу астрономічних спостережень, спостережень виключно за допомогою електромагнітних приладів. Що, своєю чергою, гарантує технологічний доказ загальної теорії відносності.

Космічна постійна Альберта Ейнштейна

Фото: Physics in History
Космічна постійна Альберта Ейнштейна

 

І хоча космологічна стала дуже добре узгоджується зі спостереженнями, ця ідея не позбавлена проблем.

Насамперед - ми не можемо точно визначити її значення. Коли астрономи чи фізики намагаються виміряти константу різними методами, вони отримують діаметрально різні значення. А це суперечить практиці спостережень, бо ставить під сумнів точність наших спостережень.

Тобто або є якась систематична помилка, яку ми не виявили, або космологічна постійна не зовсім постійна і працює не так, як ми думаємо. А це означає, що загальна теорія відносності не зовсім правильна.

Яка ж альтернатива?

Найвідоміша альтернативна теорія - гіпотеза Бранса-Дікке. Теорія дуже схожа на версію Альберта Ейнштейна, оскільки в обох моделях простір-час і матерія підкоряються спеціальній теорії відносності, а простір-час описується тензорним полем і принципом еквівалентності. По суті, будь-яке рішення ЗТВ також є рішенням теорії Бранса-Дікке.

Але існує відмінність. Так, якщо модель Ейнштейна описує гравітацію виключно через метрику простору-часу, то в гіпотезі Бранса-Дікке присутнє ще й скалярне поле. Виходить, ефекти гравітації описуються як скалярним полем, так і тензорною метрикою.

Скалярно-тензорне розширення моделі LambdaCDMОскільки ця скалярно-тензорна модель у певному сенсі є узагальненням моделі Ейнштейна, для правильного опису видимого Всесвіту можна використовувати будь-яку з моделей.

Звісно, якщо вам не потрібен додатковий опис гравітації, навіщо винаходити скалярне поле? Теорія не популярна - з темною енергією куди легше і звичніше.

Однак якщо ми ставимо собі за мету знайти альтернативу космологічній постійній, то не обійдемося без тензорних рівнянь і скалярного поля. Хоча б тому, що "раптом" з'являється ступінь свободи, який і пояснює темну енергію.

Оскільки скалярне поле не є константою, темна енергія (може) змінюватися як у просторі, так і в часі, що пояснює неможливість її вимірювання "стандартними" методами.

Проблема в доказовості теорії. Якщо проведуть експеримент, який доводить, що Ейнштейн не правий, а теорія Бранса-Діка правильна, тоді наше розуміння всесвіту, м'яко кажучи, буде скориговано.

Але як це зробити? Найпростіший варіант - по-іншому поглянути на зіткнення нейтронних зірок.

Для початку - створити симуляцію, яка працює. Порівнюючи зіткнення нейтронних зірок у теорії Бранса-Дікке із загальною теорією відносності, можна подивитися, чи існують ключові відмінності в сигналах гравітаційних хвиль.

Такі відмінності занадто малі для спостереження за допомогою сучасних гравітаційно-хвильових телескопів, але наступне покоління обсерваторій імовірно розрізнить пропоновані моделі.

Наразі ЗТВ і теорія Бранса-Діка однаково добре узгоджуються з нашими спостереженнями.

Основна причина популярності ЗТВ полягає в тому, що вона простіша і в деякому сенсі елегантніша. Але простота й елегантність не завжди роблять модель правильною.

Зрештою, час і простір продемонструють це.

Написати коментар