Физики-теоретики предложили способ проверить на практике правильность модели, которая объясняет ускоренное расширение Вселенной массивными гравитонами (гипотетическими квантами гравитации). При этом, как утверждает автор теории, можно использовать сравнительно доступные экспериментаторам методы. Подробности приводит Nature news.

Модель, предложенная Клаудией деРам и соавторами в 2010 году, объясняет то, почему Вселенная расширяется с ускорением и почему это ускорение на много порядков ниже той величины, которую предсказывает квантовая теория поля. О том, что Вселенная расширяется с ускорением (то есть со временем это происходит все быстрее) ученые знают из астрономических наблюдений и для объяснения этого факта было предложено понятие темной энергии: сущности, которую физики-теоретики связывают со свойством пространства как такового. Темная энергия (в наиболее распространенной и признанной космологической модели) может быть представлена как энергия, заключенная в вакууме: ее нельзя оттуда извлечь, но она проявляет себя в масштабах Вселенной.

Проблемы, связанные с темной энергией не исчерпываются тем, что ее природа не очень понятна. Одна из главных проблем современной физики связана с тем, что астрономические данные катастрофически расходятся с теоретическими расчетами, причем «катастрофически» в данном случае не просто эпитет: эту проблему сами ученые называют вакуумной катастрофой. В квантовой теории поля пустое пространство, вакуум, тоже имеет энергию, причем расчеты показывают очень высокую плотность этой энергии. Разница между квантовыми предсказаниями и теми оценками, которые следуют из астрономических наблюдений, превышает сто порядков и окончательного объяснения этому «худшему в истории физики расхождению теории с опытом» (оценка Ли Смолина, ведущего физика-теоретика и специалиста по теории струн наших дней) пока ни у кого нет.

Теории, которые так или иначе разрешают противоречия, связанные с энергией вакуума, существуют. Но большую их часть нельзя проверить либо из-за технических ограничений (у ученых нет достаточно мощных ускорителей частиц и в обозримом будущем они не появятся), либо в силу принципиальных причин (сама теория дает слишком нечеткие предсказания). Большие надежды многие физики возлагают на теории струн, где точечные частицы заменены на струны конечной длины в многомерном пространстве, однако именно к струнным теориям больше всего претензий по поводу размытости их предсказаний. Существует очень много возможных вариантов струн в пространствах с разной размерностью и разной геометрией тех фигур (математики говорят «многообразий»), на которые эти струны наматываются, поэтому при желании всегда можно найти несколько вариантов струнного мира, которые все будут походить на реальную Вселенную. Теории, из которых нельзя выбрать правильные, в строгом смысле слова даже нельзя назвать научными: они не удовлетворяют критерию фальсифицируемости.

Рис. 1. Развитие космологии, 1918–1924. Фото: NASA.

Если не углубляться в историю и не вспоминать модели Птоломея и Коперника, то современная космология началась около ста лет назад. В 1918 году было установлено, что расстояние до галактики (тогда еще «туманности») Андромеды слишком велико, чтобы эту «туманность» можно было счесть частью Млечного пути. В 1924 году эти измерения повторили несколько групп астрономов и существование галактик стало признанным фактом.

Рис. 2. В 1919 году астрономы наблюдают полное солнечное затмение (на фото показан негатив сделанного тогда снимка) и обнаруживают предсказанное незадолго до этого Эйнштейном отклонение света гравитационным полем. В физике утверждается общая теория относительности.

Рис. 3. Александр Фридман, русский астроном, который нашел решения уравнений Эйнштейна и предсказал теоретически расширение Вселенной. Позже его расчеты были подтверждены наблюдениями, однако Фридман до этого момента не дожил: в 1925 году в возрасте 37 лет он умер от брюшного тифа.

Рис. 4. Эдвин Хаббл, американский астроном. В 1929 году подтвердил предсказанное Фридманом расширение Вселенной, проанализировав спектры звезд в других галактиках и обнаружив красное смещение, сдвиг спектральных линий за счет движения источника света в сторону от наблюдателя.

Рис. 5. Георгий Гамов, уехавший в США в 1933 году русский физик. В 1948 году опубликовал работу, в которой предложил концепцию Большого Взрыва в близком к современному виде. Из этой работы следовало существование реликтового излучения.

Рис. 6. Микроволновая антенна, при помощи которой в 1964 году Арно Пензиас и Роберт Вильсон обнаружили реликтовое излучение. До этого излучение, возникшее в момент Большого Взрыва, было описано в ряде теоретических работ, а некоторые астрономы, включая Тиграна Шмаонова в Пулковской обсерватории, даже наблюдали его – но не могли правильно интерпретировать.

Рис. 7. Развитие космологии, 1998. Фото: NASA/MPIA/Calar Alto Observatory, Oliver Krause et al.

На сайте физического факультета университета Иллинойса энергия вакуума объясняется через такую аналогию: предположим, что у нас есть пружинка с подвешенным на ней грузом. Если груз находится в том положении, когда пружина не сжата, а груз покоится, полная энергия системы равна нулю: по законам классической механики. Однако в квантовой механике мы не можем одновременно определить положение грузика и его скорость. Из этого следует то, что раз мы точно знаем координату, то мы не можем знать его скорость, которая может оказаться равна чему угодно. Таким образом мы не знаем либо потенциальную, либо кинетическую энергию, поэтому всегда остается какая-то суммарная неопределенность. Многие квантовые системы и даже сам вакуум ведут себя точно так же. В вакууме возникают так называемые виртуальные поля, однако их энергией нельзя воспользоваться.

Ключевым местом новой теории является то, что переносчик гравитационного поля, гравитон, должен иметь массу. В большинстве других теорий гравитон лишен массы по аналогии с фотоном, но еще с 1960-х годов ученые по всему миру разрабатывают и модели с массивными гравитонами. Теоретиков не смущает то, что в экспериментах пока что не зафиксирован не только сам гравитон (хоть с массой, хоть без нее), но и гравитационные волны, предсказанные еще общей теорией относительности, ОТО. В пользу ОТО говорят многие другие факты (например, гравитационные линзы), а квантовую механику все равно надо объединять с ОТО тем или иным образом. Соответственно, концепция квантов поля, на которой построены хорошо проверенные теории электромагнитного, сильного и слабого полей, является вполне логичной для развития и в сторону гравитации. Любое поле в квантовой теории может быть представлено как набор квантов, кванты испускаются и поглощаются частицами и за счет обмена квантами частицы взаимодействуют между собой или даже превращаются друг в друга (слабое поле может превращать нейтрон в протон, электрон и антинейтрино за счет изменения одного из трех кварков). Масса квантов, в свою очередь, накладывает ограничения на радиус действия поля, поэтому масса гравитонов во всех теориях очень мала и на 33 порядка меньше массы нейтрино.

Вместе с коллегами деРам показала, что даже небольшая и не противоречащая астрофизическим данным масса гравитона может привести к тому, что эти частицы компенсируют очень высокую энергию вакуума, которая получается в квантовой теории поля. По мнению другого исследователя, Марка Уаймана, теория деРам позволяет разрешить проблему темной энергии наиболее изящным путем, без добавления экзотических частиц, множества скрытых измерений или других сущностей, требующих радикального пересмотра наших представлений о Вселенной.

Обсуждением теории деРам велось на протяжении нескольких лет и за это время физикам удалось показать то, что она лишена внутренних изъянов: в этой теории не возникает физически невозможных полей, появление которых сразу бы вывело модель из рассмотрения. Новые оценки, представленные на конференции COSMO 2013, указывают на то, что из этой теории следует несколько иная картина гравитационного поля в пределах Солнечной системы по сравнению с обычной теорией относительности и ньютоновской теорией тяготения. Различия, как указала деРам, невелики, однако они приведут к тому, что расстояние между Землей и Луной будет на 10–10 процентов отличаться от «основной» теории. А существующие методы лазерной локации уже сегодня дают точность всего в десять раз ниже, в то время как экспериментальные методы совершенствуются из года в год: требуемой точности, вероятно, удастся достичь в обозримом будущем.

Физик-теоретик из Мюнхенского университета Людвига-Максимилиана Вячеслав Муханов с Уайманом не согласен: тот вариант концепции, в котором нет невозможных физических полей, относится к классу биметрических теорий. То есть в нем не один метрический тензор (математический объект, описывающий геометрию пространства-времени), а два. Это, по мнению Муханова, никак нельзя назвать изящным решением. Пока ученые расходятся в том, считать ли теорию деРам наиболее простым и красивым объяснением. Верна ли она на практике, можно будет узнать в ближайшие годы или даже месяцы, считает Уайман.