Педро Феррейра - Идеальная теория. Битва за общую теорию относительности

Бекенштейн был не одинок. Его предложение решало проблему темной материи, в то время как его коллеги пытались избавиться от космологической постоянной и темной энергии. Возросло количество гипотез, конкурирующих с общей теорией относительности, усилилась борьба вокруг корректной теории гравитации. Дополнительную аргументацию предоставляли потрясающие наблюдения, произведенные при помощи новых телескопов и инструментов, разработанных благодаря стремительному росту физической космологии. Любой анализ нового фрагмента космологических данных, подтверждающих общую теорию относительности, проходил по одной и той же схеме. Результаты неизбежно публиковались в виде пресс-релиза, а потом широко освещались в журналах, после чего с такой же неизбежностью следовал шквал статей, указывающих, что аргументы, воспринимаемые как неопровержимые доказательства общей теории относительности, на самом деле таковыми не являются.

Статья, появившаяся в январе 2008 года в журнале Nature, стала сигналом еще одного тихого сдвига. В ней группа итальянских наблюдателей анализировала данные исследования галактик. Аналогичными исследованиями Джим Пиблс и его последователи занимались почти сорок лет. Изучая способ группировки галактик, итальянская группа смогла измерить скорость, с которой они падали друг на друга, притягиваемые общим гравитационным полем. В этом не было ничего нового. Подобные вещи многократно делались и ранее для различных групп галактик. Интерес вызвал способ представления данных: на график с результатами наблюдений итальянцы заодно наложили прогнозы, полученные согласно как общей теорией относительности, так и других, альтернативных моделей гравитации. Часть предсказаний полностью совпала с экспериментальными данными, часть не имела с ними ничего общего. Но это был совершенно очевидный ход: сравнение теории с результатами наблюдений.

Статья в Nature ознаменовала изменение духа и акцентов среди практикующих космологов. С конца 1990-х годов приоритетной была задача измерения, характеристики и доказательства существования темной энергии, а в этой статье экспериментальными данными воспользовались для проверки общей теории относительности. Это было возвращение к проверке фундаментальных предположений физической космологии.

В последующие годы приоритетной задачей космологических экспериментов стала проверка общей теории относительности. Ученые все еще хотели знать, существует ли темная материя, из чего она состоит, каким образом формируются галактики, превращаясь в строительные кирпичики Вселенной. Но снова и снова на семинарах и пленарных лекциях, в заявках ученых на финансирование центральное место занимала проверка общей теории относительности.

Модификации теории гравитации до сих пор не одобряются многими, если не всеми, релятивистами. Корректировка общей теории относительности в случаях, когда она входит в противоречие с квантовой физикой, принимается спокойно, но попытки приведения пространства-времени в соответствие с результатами наблюдений — дело совсем другое. Теория Эйнштейна содержит еще много непонятного и неоткрытого, а ее исправление релятивисты считают ненужным и неэлегантным усложнением. Однако окружающий мир может не соглашаться с этим, и благодаря астрономам, снова начавшим интересоваться работами Эйнштейна, у нас есть возможность исследовать фундаментальные законы пространства-времени, дальше и глубже заглядывая в космос.

Идеи Дирака, Сахарова и Бекенштейна, подкрепленные свежими работами в наблюдательной космологии, открывают перед нами новый, слишком захватывающий, чтобы от него отмахнуться, способ мышления и ставят перед этой мощной наукой новую цель. Вместе с коллегами из Оксфорда и Ноттингема я решил принять участие в написании обзора методов модификации гравитации. Мы почувствовали себя исследователями джунглей, открывающими новые, экзотические объекты. Дюжины теорий, одна страннее другой, предлагали причудливые исправления общей теории относительности, часто с удивительными, реалистичными результатами. В нашем обзоре был представлен богатый выбор гравитационных теорий, многие из которых могли бы составить жесткую конкуренцию общей теории относительности. Над альтернативами теории Эйнштейна задумывается такое количество ученых, что на современных крупных мероприятиях — последователях устраиваемых Девиттом в Чапел-Хилл конференций и Техасских симпозиумов Альфреда Шильда — проводятся параллельные семинары с докладчиками всех возрастов и со всех континентов, пытающимися детально анализировать общую теорию относительности. Эта область науки до сих пор остается побочной, но работают над ней достаточно много ученых. Во время моего утреннего доклада в Кембридже Эфстатиу выразил свое пренебрежение. Но даже этот блестящий ум, ставший одним из пионеров современной стандартной космологической модели, в которой все играет свою роль, в том числе общая теория относительности, темная материя и темная энергия, ощутил бы энтузиазм, если бы новые астрономические данные показали нам дорогу к новой физике. А новая теория гравитации, возможно надуманная, определенно может считаться новой физикой. Осталось дождаться свежих астрономических данных, которые покажут, есть ли в ней что-то действительно революционное.

Недавно я консультировал Европейское космическое агентство. Оно отвечает за отправку в космос научно-исследовательских спутников, часто совместно с NASA. Одним из их наиболее известных экспериментов является космический телескоп Хаббл, позволивший получить ряд удивительно четких и чистых снимков глубокого космоса.

Спутники — это новые форпосты науки, неописуемо сложные лаборатории для самых удивительных экспериментов, плавающие в пространстве на границе нашей досягаемости. Стоят они дорого, от полумиллиарда до нескольких миллиардов долларов каждый. Их нельзя просто так взять и запустить в небо. Годы, а порой даже десятилетия занимает планирование и принятие решения об оправданности запуска.

В Европейском космическом агентстве мы говорили о том, что будущие космические полеты должны проходить в соответствии с предложениями крупных международных групп ученых. В процессе длительных собраний, переполненных презентациями в Power Point, диаграммами Ганга и сметами возможных расходов, от которых у меня на глазах появлялись слезы, я часто терялся. Все это сильно отличалось от свободных исследований, необузданного творчества и красивой математики, так привлекавших меня в аспирантуре. Шокировало и то, что далеко идущие захватывающие проекты обсуждались как акционерные предприятия. Как будто мы открывали новые фабрики в какой-то далекой стране.

Однако в разгар нудных технических речей меня сильно поразил тот факт, что во многих предложениях по запуску спутников центральным объектом интереса указывалась общая теория относительности. Она в явном виде упоминалась во многих предложениях, чудесным образом сопровождая обсуждаемые нами детали и технические характеристики. Нас просили финансировать полеты стоимостью миллиарды долларов, в которых теория Эйнштейна должна была проверяться или применяться для исследования глубин космоса и внутренних механизмов плотных массивных объектов. Это было будущее космической науки в XXI веке. Не все предложения можно было финансировать, запускались далеко не все спутники, но выбирать было из чего.

В одном из полетов предлагалось регистрировать рябь пространства и времени, гравитационные волны, расходящиеся от закончившегося взрывом столкновения двух черных дыр. Это было порождение проектов LIGO и GEO600, монструозный интерферометр, состоящий не из одного, а из трех спутников, вращающихся вокруг Солнца и оснащенных сверхточными лазерами, лучи которых отскакивали от зеркал, разнесенных на миллионы километров. Подобная космическая антенна, использующая принцип лазерного интерферометра (Laser Interferometer Space Antenna, LISA), уточняет результаты вновь начавшихся наземных экспериментов, фиксируя слабые сигналы, которых не замечают обсерватории LIGO и GEO.

Это еще не все. Другой полет предлагается посвятить измерению истории расширения Вселенной вплоть до момента, когда ее возраст составлял одну сотую от текущего. Для этого потребуются методы физической космологии, исследующие разбитое на полосы небо для создания каталогов с сотнями миллионов галактик. Затем, глядя на то, как галактики собираются в огромную космическую сеть, тщательно изучая, как в процессе гравитационного коллапса скопления и нити света объединяются вокруг пустот, можно оценить влияние темной материи и темной энергии или узнать, справедливо ли мнение, что теория Эйнштейна перестает работать в крупном масштабе.