Эйнштейн был прав

Теория Эйнштейна прошла космический экзамен

Американский профессор попыталась доказать, что теория относительности на космических масштабах неверна. Она ошиблась, но ее ошибка помогла разобраться, какие альтернативы эйнштейновской теории могут оказаться верными. И даже найти одну теорию, которая верной уж точно не окажется.

В конце сентября 2009 года астрофизик Рейчел Бин из американского Корнельского университета опубликовала в Архиве электронных препринтов того же учреждения примечательную статью, поданную на рецензию в престижный Physical Review Letters. В статье Бин сообщила о найденных ею убедительных свидетельствах того, что общая теория относительности Эйнштейна на космологических масштабах отказывает.

Глобальная непроверенность

В профессиональном сообществе работа произвела фурор. В принципе, эйнштейновская теория гравитации надежно проверена астрономическими наблюдениями лишь на масштабах Солнечной системы и тесных двойных звездах, то есть максимум – сотен миллиардов километров. Наземные эксперименты показывают, что она очень точно описывает мир и на макроскопических, «человеческих» масштабах. На масштабах миллиметров и меньше проверить ее сложнее (хотя и здесь есть данные в пользу Эйнштейна), но это не так важно: на мелких масштабах гораздо важнее другие силы – электромагнитная и ядерная.

А вот на глобальных масштабах – в мире галактик, их скоплений и Вселенной в целом – теория относительности не проверена. Большинство физиков просто экстраполируют ее применимость на эти пространственные и временные шкалы, однако экспериментальных подтверждений возможности такой экстраполяции до сих пор нет. Более того, многие ученые давно указывают на факты, которые, по их мнению, напрямую противоречат эйнштейновской теории – в первую очередь чрезмерно сильное притяжение галактик друг к другу и ускоренное расширение Вселенной.

Сторонники Эйнштейна, чтобы объяснить усиленное притяжение, вынуждены вводить ненаблюдаемое вещество – «темную материю», которой, возможно, есть место в истинной теории микромира. А для ускоренного расширения нужна уже новая экзотическая среда – «темная энергия», которая должна обладать ненаблюдаемыми в лаборатории свойствами – однородным и отрицательным давлением. Даже в самом простом случае вместо «темной энергии» приходится вводить новую универсальную константу (так называемый Λ-член); правда, ее значение очень сильно отличается от того, что могла бы дать квантовая теория поля – но это, полагают сторонники теории относительности, проблемы самой квантовой теории.

Для выправления «недоработок» теории относительности предложены десятки вполне серьезных моделей – как феноменологических, так и с глубоким физическим обоснованием. Ведь эйнштейновская модель – это в некотором роде самая простая (но очень успешная!) физическая теория, которую можно предложить исходя из некоторых базовых физических принципов. Альтернативные теории обобщают этот простейший вариант так, чтобы он не отличался от теории относительности в ситуациях, где она проверена экспериментально, но позволил бы обойтись без темной материи и темной энергии.

Время кривее пространства

Решающее слово, конечно, должно быть за экспериментом – или, за неимением лучшего на космических масштабах, астрономическими наблюдениями. Вот здесь-то Бин и выяснила, что теория относительности не может дать единого объяснения данным по неоднородностям фона реликтового излучения, оставшегося во Вселенной с эпохи ее ранней горячей юности, наблюдениям слабых искажений формы далеких галактик в гравитационном поле галактик близких и характера скучивания последних под действием их взаимного притяжения. Как показала Бин, теория относительности не проходит с вероятностью 1:50 (с вероятностью 2% расхождения теории и наблюдений можно было списать на неточность последних).

Теория относительности – это история о том, как вещество искривляет пространство и время, и как искривления пространства и времени влияют на движение вещества. «Материя говорит пространству, как ему гнуться, а пространство говорит веществу, как ему двигаться», — в формулировке знаменитого американского физика Джона Арчибальда Уилера. На самом деле движение вещества чувствительно к искривлению скорее не пространства, а времени, но в рамках эйнштейновской теории (о которой и говорил Уилер) кривизна пространства и кривизна времени равны.

Бин придумала, как померить две кривизны по отдельности. В космосе движется не только обычная материя, но и свет, и движется он так быстро, что чувствует искривление не только времени, но и пространства. И эта чувствительность к кривизне пространства как раз и проявляется в силе крупномасштабных неоднородностей реликтового фона (эффект Сакса-Вольфа) и в искривлениях видимой формы далеких галактик притяжением близких (слабое гравитационное линзирование). А вот скучивание галактик определяется почти исключительно кривизной времени.

Рейчел Бин, применив соответствующий статистический аппарат, сравнила две кривизны и пришла к поразительному выводу – искривление времени в 3−4 раза сильнее, чем искривление пространства. Это напрямую противоречит эйнштейновской модели, и спасти ее можно лишь в том случае, если наполняющее Вселенную вещество обладает свойствами еще более экзотическими, чем вместе взятые темная материя и темная энергия, от которых мы так хотели избавиться. Или если Бин ошиблась.

Ставки поменялись

Чтобы не тянуть интригу дольше, чем это уместно, сразу открою карты – ученая из Корнеля и вправду ошиблась. Ее статья так и не была принята к печати в Phys. Rev. Lett., а накануне она даже отозвала ее из электронного архива, публично признав свою неправоту. Однако даже ошибочная статья может оказаться очень полезной для науки. За неполные полгода с момента выхода работы Бин в печати появилось несколько серьезных статей, авторам которых удалось применить тот же подход к существенно более полным и качественным данным, а также разобраться наконец, как удобно и физически осмысленно измерять отличия альтернативных теорий гравитации от базовой эйнштейновской модели.

Месяц назад внушительный авторский коллектив из Южной Кореи, США и Швейцарии под руководством Скотта Дэниела из корейского Института ранней Вселенной опубликовал работу, где тщательно сопоставил разные альтернативные теории друг с другом и с имеющимися космологическими данными. Как оказалось, разного рода альтернативные теории имеют право на существование – у них много дополнительных параметров, и, играя ими, можно привести предсказания в соответствие с наблюдениями. Однако нужды в альтернативах пока нет – «простейшая» теория относительности превосходно справляется с той же задачей без всяких дополнительных параметров. Старичок Эйнштейн все еще в фаворе.

Попутно Дэниел и его коллеги указали Бин на ее ошибку (она пыталась определить четыре независимых величины через пять независимых уравнений), и она с этим согласилась. А через две недели после выхода работы Дэниела Бин, сама заварившая всю эту кашу, и один из ее студентов опубликовали новую статью, где исправили прежние изъяны и воспользовались более свежим и полным наблюдательным материалом. Теперь ученые оценивают шансы стандартной модели гравитации и космологии на то, чтобы быть истинной, как 20:1 – но на этот раз в пользу эйнштейновской теории относительности.

Ряды TeVeS поредели

Кстати, на следующий день после отзыва Бин своей неправильной, но такой своевременной работы в Nature вышла статья еще одной группы ученых из США, Швейцарии и Южной Кореи (никаких персональных совпадений с упомянутым ранее авторским интернационалом). Эти астрономы тоже сравнили слабое искажение видимой формы дальних галактик ближними с поведением этих звездных систем в плане скучивания друг к другу.

Ученые смогли вычислить некоторый универсальный параметр EG, который описывает рост космических структур, да притом так удачно, что не зависит от неизвестного соотношения между ростом неоднородностей видимого вещества и темной материи (этот метод, кстати, придумала все та же Рейчел Бин в соавторстве с Чжаном Пэнцзе и еще двумя теоретиками). По их данным, EG лежит в пределах от 0,33 до 0,45. Теория относительности предсказывает что-то около 0,4 – в превосходном соответствии с наблюдательными данными.

Кстати, не всем альтернативным теориям так же повезло. Одна из версий так называемой тензорно-векторно-скалярной теории (TeVeS) в полученные наблюдательные пределы уже не вписывается. А именно на TeVeS возлагалось очень много надежд. Пять лет назад авторитетный израильский физик-теоретик Якоб Бекенштейн построил эту сложную теорию для обоснования феноменологической (не обоснованной высоколобыми рассуждениями, но очень успешно согласующейся с наблюдениями) «модифицированной ньютоновой динамики», предложенной его соотечественником Мордехаем Мильгромом еще четверть века назад.

Первый блин вышел комом, но Бекенштейн и его последователи сдаваться не намерены – TeVeS может принимать множество обличий. И теперь астрономы знают, как их проверить.