Нейтронные звезды. Как понять зомби из космоса - Москвич Катя

Был ли Эйнштейн прав? Проверки, проверки…

Сказать “Это конец” никогда не бывает легко, особенно если речь идет о работе, на которую вы потратили годы. Но именно это и произошло в сентябре 2017 года, когда Мигель Зумалакарреги, физик-теоретик из Центра космологической физики Беркли, приехал в Институт теоретической физики в Сакле, расположенный недалеко от Парижа, чтобы выступить с докладом. До того, как сообщества LIGO и Virgo официально объявят миру о первом в истории наблюдении слияния двух нейтронных звезд, оставалось еще несколько недель. Но в научных сообществах, где работает более тысячи сотрудников, сложно держать новости в секрете, и слухи о столкновении уже распространились по социальным сетям, от университета к университету и от конференции к конференции. И Зумалакарреги готовился сказать аудитории, что это обнаружение – если оно окажется правдой – убьет целую кучу так называемых альтернативных теорий гравитации.

Общая теория относительности Альберта Эйнштейна была принята научной общественностью более века назад, заменив теорию тяготения Исаака Ньютона. В общей теории относительности гравитация – это не сила, а искривление пространства-времени, поэтому она предсказывает, что массивные тела искривляют ткань пространства-времени, заставляя луч света изгибаться, когда тот проходит рядом с ними. Но ученые знают, что у общей теории относительности есть проблема: ее невозможно примирить с физикой, описывающей очень малые сущности, то есть с квантовой механикой. Общая теория относительности легко описывает силу тяжести, например, то, как ручка падает, если ее сбросить со стола. Она объясняет, почему, если вы находитесь в лифте и лифт движется вниз исключительно под действием силы тяжести, невозможно узнать, на Земле вы или в космическом корабле, который движется с постоянным ускорением. Это называется принципом эквивалентности, который утверждает, что гравитационные поля неотличимы от ускоряющихся систем отсчета. Таким же образом общая теория относительности объясняет, как планеты обращаются вокруг звезды и как сталкиваются галактики. Но приблизим камеру, включив многократное увеличение, и нам понадобится квантовая механика, чтобы объяснить, как электроны вращаются вокруг атома, почему атом плутония распадается или почему два атома водорода сливаются с образованием гелия, а часть массы атомов водорода превращается при этом в энергию. Именно в таком процессе звезды получают свою энергию до тех пор, пока не исчерпают все свое топливо и не умрут.

Квантовую механику и общую теорию относительности не удается совместить: всякий раз, когда мы пытаемся объяснить поведение малого с помощью общей теории относительности или большого с помощью квантовой механики, все расползается. Возникает подозрение, что общая теория относительности – неправильная теория, поэтому ученые продолжают проверять ее в различных системах и средах, пытаясь найти ошибки. Они также надеются, что, анализируя альтернативные подходы, смогут приблизиться к пониманию того, что представляет собой некая правильная теория. Альтернативные теории гравитации обычно пытаются решить две фундаментальные проблемы общей теории относительности, которые мешают нашему пониманию Вселенной. Во-первых, нужно объяснить необходимость введения темной материи – невидимой материи, которая, как полагал Фриц Цвикки, удерживает вместе галактики в скоплении Кома. Другая проблема заключается в том, что для объяснения расширения нашей Вселенной нам нужно ввести темную энергию. Современное понимание темной энергии состоит в том, что это некая субстанция, которую невозможно зарегистрировать и давление которой заставляет Вселенную расширяться. Альтернативные теории пытаются представить ее как силу, являющуюся частью гравитации16.

Возможно, утверждают некоторые теоретики, гравитация сложнее, чем представлял ее Эйнштейн, и мы просто не увидели ситуаций, в которых эти сложности становились достаточно большими, чтобы оказывать заметное влияние (если только темная материя и темная энергия не являются такими ситуациями). Вот почему ученые разрабатывают альтернативные теории: чтобы модифицировать общую теорию относительности в надежде, что они смогут непротиворечиво описать все наши наблюдения без введения каких-либо темных сущностей. “Многие также пытаются модифицировать теорию из чистого любопытства: примерно треть нерешенных проблем в физике, включая темную материю и темную энергию, относятся к гравитации, например, не решены вопросы, связанные с черными дырами, остается проблема объединения квантовой механики и гравитации в единую теорию квантовой гравитации, а также проблема космологической постоянной”, – говорит Зумалакарреги.

(window.adrunTag = window.adrunTag || []).push({v: 1, el: 'adrun-4-390', c: 4, b: 390})

Еще до того, как астрофизики зарегистрировали на LIGO гравитационные волны, они знали, что слияние двух нейтронных звезд нанесет удар по некоторым альтернативным теориям гравитации. Но, по словам Зумалакарреги, на момент его выступления на конференции многие ученые еще не осознали, что их любимая теория вот-вот будет выброшена на помойку. И поэтому в Сакле он терпеливо объяснил, как открытие LIGO, уже, по слухам, состоявшееся, убьет многие теории, альтернативные по отношению к общей теории относительности. Как только он закончил говорить, множество рук вскинулись вверх – ошеломленные коллеги-ученые спрашивали, абсолютно ли он уверен, что та или иная конкретная теория умерла. По его словам, конференция была похожа на похороны, где некоторым участникам церемонии он первым сообщил новость о покойнике, лежащем в гробу. Однако, добавляет Зумалакарреги, некоторые альтернативные теории гравитации возникают просто по причине недостаточно хорошего понимания. “Вспомните, как до Эйнштейна многие видные ученые упорно старались примирить электромагнетизм с эфиром, хотя этот подход был совершенно неправильным”, – рассказывает он. Действительно, когда-то считалось, что для распространения света необходима среда – эфир, но позже было доказано, что эфира не существует.

По этим причинам неудивительно, что некоторые ученые задаются вопросом, не ошибался ли Эйнштейн и правильна ли общая теория относительности. И дело не только в темных энергии и материи. Чтобы альтернативные теории гравитации работали, они должны предсказывать все те стандартные явления, которые так успешно предсказывает общая теория относительности. Чаще всего большинству теорий это не удается. Поскольку многие из их прогнозов оказываются совершенно ошибочными, предложившим их ученым приходится придумывать способы исправления ошибок и методы, которые бы скрыли неверные прогнозы для тех масштабов, где их можно проверить.

Возможно, самые известные альтернативные теории гравитации – это варианты модифицированной ньютоновской динамики, или просто MOND. В этих теориях нет необходимости во введении темной материи, поскольку изменяется само определение гравитации. В них предполагается, что существует два вида гравитационных сил вместо одной. Иногда, говорят адепты теории MOND, сила тяжести велика, и тогда она заставляет объекты подчиняться закону тяготения Ньютона, согласно которому сила тяжести между двумя объектами уменьшается обратно пропорционально квадрату разделяющего их расстояния. А когда сила тяжести очень мала – например, на окраинах галактики, – она, согласно этой теории, с расстоянием уменьшается медленнее. Это могло бы объяснить, почему кажется, что притяжения обычного вещества недостаточно, чтобы удерживать быстро движущиеся звезды внутри своих галактик, и тогда не нужно было бы вводить темную материю в модель для увеличения гравитационного притяжения, необходимого для устранения противоречия.

MOND – это всего лишь общая идея. Одна из попыток превратить ее в законченную теорию – это скаляр-тензор-векторная теория гравитации TeVeS, в которой имеется математический аппарат, описывающий все: от Солнечной системы до черных дыр, галактик и космологии. Как и другие разновидности теорий MOND, TeVeS объясняет, почему скорость звезд в галактиках одинакова повсюду, считая гравитацию вдали от центра сильнее, чем она должна быть согласно теориям Эйнштейна и Ньютона. Есть еще теории галилеонов – составная часть класса теорий, называемых теориями Хорндески и расширенными теориями Хорндески. Теории Хорндески получили свое имя в честь Грегори Хорндески – физика, разработавшего их в 1974 году. Более широкое физическое сообщество по-настоящему обратило свое внимание на его идеи только около 2010 года, когда он уже оставил занятия наукой и стал художником в Нью-Мексико. Большинство этих теорий пытаются исключить темную энергию и ввести поправки для объяснения расширения Вселенной и поведения силы тяжести. Другие теории, такие как теория гравитации Бранса – Дикке и ее варианты, являются развитием философских или математических идей общей теории относительности. Существуют также оригинальные теории, такие как теория физика Эрика Верлинде, в которой предполагается, что законы гравитации естественным образом вытекают из законов термодинамики, точно так же как волны в океане порождаются молекулами воды.