Знайти порозуміння гравітації

Криві обертання галактик. По горизонтальній осі відкладено відстань від центру. Очікувалося, що швидкість буде падати у міру віддалення, але вона залишалася незмінною і навіть зростала у деяких галактик

За ідеєю, гравітація повинна бути силою передбачуваною. Ми з нею добре знайомі, завдяки їй ми твердо стоїмо на Землі, а наша атмосфера не відлітає в космос. Якщо ж взяти більші масштаби, то ця сила вплинула на еволюцію самого Всесвіту. Як же прикро, що іноді гравітація нас підводить. Щоб пояснити спиралевидное обертання галактик і скупчень галактик гравітацією в тому вигляді, в якому ми її розуміємо, нам потрібно придумати абсолютно нову форму матерії, яку ніхто ніколи не чув од на власні очі - темну матерію. Щоб пояснити прискорення розширення Всесвіту, нам потрібно вигадати настільки ж загадкову сутність - темну енергію.

Але що якщо ми ніколи до кінця не розуміли гравітацію? Що якщо десь поза нашим полем зору гравітація грає не за правилами? Думати так - практично єресь, хоча такі ідеї і не нові. Однак останнім часом останні дослідження галактик і несподівані результати з області квантової інформатики з новою силою підштовхують нас до того, щоб переосмислити наше розуміння гравітації. З'являються нові радикальні ідеї, в яких наші уявлення про простір-час і сутності гравітації грунтовно перетворюються. У новій картині світу немає місця темної матерії, а темна енергія, замість того, щоб протистояти гравітації, може частково її породжувати.

Практично все, що ми знаємо про гравітації, дали нам Ісаак Ньютон і Альберт Ейнштейн. Ньютон пояснив нам, що сила тяжіння зменшується обернено пропорційно квадрату відстані, а Ейнштейн - що гравітація з'являється в результаті викривлення простору-часу масивними об'єктами.

Закон всесвітнього тяжіння Ньютона говорить, що на зорі, більш віддалені від центру галактики, сила тяжіння діє слабше, ніж на зірки, розташовані ближче до центру галактики, тому швидкість руху перших нижче. Однак в 1970-х роках астрономи, в їх числі була Віра Рубін [Vera Rubin], помітили, що швидкість зірок, віддалених від центру галактик, зменшувалася не так, як передбачалося. Замість цього швидкість вирівнювався, що можна було пояснити тільки присутністю якоїсь невидимої матерії, що оточувала галактики і створювала додаткове тяжіння. З тих пір ми безуспішно намагаємося знайти цю матерію.

Гра не за правилами

У пошуках, правда, брали участь далеко не всі. У 1980-х роках Мордехай Мілгром [Mordehai Milgrom], тоді працював в університеті Прінстона, показав, що можна пояснити дивацтва в швидкості обертання галактик без участі темної матерії. Для цього треба тільки відкинути ідею того, що зі збільшенням відстаней гравітація завжди поводиться так, як передбачали Ньютон і Ейнштейн. Теорія Мілгрома, відома як MOND (модифікована ньютонівська динаміка), передбачає, що сила тяжіння слабшає плавніше, ніж стверджував Ньютон. Як тільки прискорення об'єкта, викликане гравітацією, падає нижче певного значення, а точніше стає в 82 мільярди разів слабкіше, ніж прискорення вільного падіння на Землі, гравітація раптом переключається в новий режим.

Мілгром досяг певних успіхів, застосовуючи свою теорію до спіралевидним галактик, але MOND так і не набула поширення. Для початку, з її допомогою можна було прораховувати скупчення галактик, які не могли б формувати власне скупчення без участі темної матерії або без внесення радикальніших змін в теорію гравітації крім тих, що допускала MOND. Плюс пропоновані цією теорією зміни здавалися надто випадковими. З чого б раптом силі тяжіння змінюватися в цій, здавалося б, довільній точці?

І, проте ж, MOND досі залишається на плаву і не меншою мірою через те, що темна матерія так і не була виявлена. «Існують дві можливості, - каже Джон Моффат [John Moffat] з Інституту теоретичної фізики Perimeter в Ватерлоо, Канада, - або ми знайдемо невидимий джерело додаткового тяжіння і переконаємося, що Ньютон і Ейнштейн мали рацію, або ми не знайдемо нічого. У цьому випадку нам потрібно буде доопрацьовувати гравітацію ».

У минулому році, можливо, нарешті, настав переломний момент. Стейсі Макгі [Stacy McGaugh], астроном з університету Case Western Reserve в Клівленді, штат Огайо, і його колеги заново поглянули на більш ніж 150 спіральних галактик скожіх з нашою галактикою Чумацький Шлях. Коли вони порівняли розрахункову силу тяжіння зі швидкістю обертання диска галактик, вони виявили, що ближче до краю диска зірки обертаються з аномально високими швидкостями.

І що з цього? Адже саме така поведінка ми вже неодноразово спостерігали і раніше, а пояснити його можна, огорнувши галактику хмарою темної матерії. Однак при статистичній оцінці МакГі використовував перехресний контроль. Він взяв всю видиму матерію у всіх галактиках і порівняв силу тяжіння цієї матерії в кожній точці зі швидкістю обертання прилеглих зірок. В результаті він отримав на подив тісний взаємозв'язок між швидкістю обертання галактик і розподілом видимої матерії, яку вони містять.

Чи Смолін [Lee Smolin], теоретик з інституту Perimeter в Канаді, був вражений. Такий взаємозв'язок «рівносильна закону природи», - говорить він. Такого не побачиш, якщо на галактики впливає щось крім видимої матерії.

Ще більш дивний той факт, що цей тісний взаємозв'язок між видимою матерією і рухом зірок зберігається в широкому ряду різних галактик, навіть при тому, що темна матерія в них розподілена по-різному. Темна матерія не повинна покірно слідувати за звичайною речовиною. Тому або вона взаімодествія зі звичайною матерією або самою собою сильніше, ніж те пророкує проста модель, або щось не так з гравітацією.

Робота МакГі не єдина причина, що змусила нас знову підняти цей єретичний питання. Одна з найбільших проблем для MOND це поведінка скупчень галактик. Як і зірки на краю галактик, галактики на краю скупчень теж рухаються занадто швидко - факт, який пояснюється за допомогою темної матерії. Спостереження ефекту гравітаційного лінзування (невелике викривлення світла гравітаційним полем масивних об'єктів) передбачає, що додаткова сила, що надає швидкість галактик, знаходиться не там, де видима матерія. Просто неможливо пояснити поведінку скупчень галактик без участі невидимої матерії, принаймні так вважається.

Найвідоміший приклад - скупчення Куля (Bullet CLuster 1E 0657-558, заголовної зображення), назване так за схожість з уповільненим зображенням кулі, що розривала на частини мішень. Для багатьох мисливців за темною матерією це найкращий доказ того, що полюють вони на цього звіра не дарма, і він існує. Але Павло Крупа [Pavel Kroupa] з Боннського університету в Німеччині стверджує зворотне - це високошвидкісне міжгалактичний зіткнення можна пояснити тільки теорією MOND.

«Порівняння з образом кулі, що потрапляє в мішень, це звичайно ж жарт для широких мас», - говорить він. Крупа стверджує, що в реалістичних часових рамках стандартна гравітація занадто слабка сила, щоб викликати такі гарячі і шалені зіткнення галактик, як ми спостерігаємо в скупченні Куля. Темна матерія на початкових етапах зіткнення здатна надати йому ту високу швидкість, що ми спостерігаємо, але всім наступним взаємодій вона вже буде заважати. «Гало темної матерії нагадує павутину», - каже Крупа. «Воно захоплює будь-яку ліпшу на його шляху галактику». Тому пару зіткнулися галактик, які продовжують рухатися на великих швидкостях навіть після зіткнення, дуже важко пояснити. «Це велика, велика проблема для стандартної моделі космології», - каже Крупа. «Але з модифікованою гравітацією ... такої проблеми не існує».

Суть MOND в тому, що на галактичних і міжгалактичних відстанях, де ми не можемо безпосередньо виміряти силу гравітації, вона сильніше, ніж ми думали. І саме це, а не якась невидима матерія, буде найпростішим поясненням того, чому матерія у таких масштабах рухається швидше і стикається сильніше, ніж те пророкують Ньютон і Ейнштейн.

Це не означає, що у теорії MOND немає певних проблем, коли мова заходить про взаімодествіі всередині скупчень галактик. В скупченні Куля за допомогою телескопів ми виявили два виражених місця, де гравітаційне лінзування проявляється сильніше, а значить там більш висока концентрація маси, яка не збігається з кількістю спостерігається нами в цих же місцях звичайної матерії.

Мілгром наполягає, що ця проблема не така страшна загроза для його моделі, як вважає багато хто. «Достатньо всього лише невеликої кількості неврахованої маси, яка може виявитися звичайною матерією, наприклад, загиблими зірками або хмарами холодного газу, які ми ще не виявили», - говорить він.

Але поки спостереженнями це не підтверджено, інші вчені шукають теоретичні вирішення цієї проблеми. Одне таке рішення є гібридною модель, в якій темна матерія поводиться як перевертень - вона безперешкодно проходить через галактики, створюючи додаткову силу тяжіння, що узгоджується з теорією MOND, але в скупченнях галактик вона поводиться як звичайна темна матерія.

Ще один варіант, який несподівано знову увійшов в моду - модифікувати MOND. Саме цим і займається Моффат. У його розумінні сила тяжіння змінюється після додавання сили відштовхування, яка в свою чергу залежить від відстані, через що на невеликих відстанях сила тяжіння підкоряється закону зворотних квадратів Ньютона, але на околицях галактики вона слабшає. У такій картині світу гравітація сильніше, ніж вважав Ньютон, і поводиться вона так, як пророкує MOND.

Моффат стверджує, що його теорія може пояснити обертання галактик і аномальні швидкості в скупченні Куля. Але головною особливістю його теорії є те, що поблизу чорних дір сили тяжіння сильніше, ніж передбачає навіть MOND, що, можливо, дасть нам шанс перевірити цю теорію.

Якби ми могли подивитися на чорну діру, ми б побачили чорний диск, оточений тінню, викликаної надзвичайно сильним гравітаційним лінзуванням. У 2015 році Моффат підрахував, що згідно з його теорією тінь навколо надмасивної чорної діри в центрі Чумацького Шляху буде в 10 разів більше, ніж передбачає ОТО. І тут на сцену виходить Event Horizon
Telescope (EHT) - глобальна мережа радіотелескопів, запуск якої намічений на квітень цього року, вперше здатна отримати докладні зображення чорних дір. Принаймні теоретично ми зможемо спостерігати цю роздуту тінь, якщо, звичайно, вона взагалі там є.

Однак що б ми не вибрали, традиційну теорію MOND або модифіковану гравітацію Моффата, існує величезна проблема, на яку не можна закрити очі - кричуща відсутність основоположною теорії. З чого раптом гравітації відхилятися від того курсу, який проклали для неї Ньютон і Ейнштейн, та ще й, здавалося б, у випадковій точці? Відповідь на це питання можна отримати, якщо радикальним чином переглянути наше розуміння сутності гравітації.

У минулому році Ерік Ферлінде [Erik Verlinde] з Університету Амстердама в Нідерландах запропонував свіжу точку зору з цього питання. Гравітація, як вважає він, виникає не сама по собі, а в результаті взаємодій між заплутаними битами квантової інформації.

Заплутаність - це глибока і одночасно глибоко парадоксальна зв'язок між парами або групами частинок, коли вплив на одну частинку викликає реакцію у інших, навіть якщо їх розділяють великі відстані. Фізики вже з кінця 1990-х років навчилися отримувати Ньютонівську і ейнштейнівська гравітацію з допомогою мереж заплутаних квантових бітів. Проблема в тому, що працює це тільки в теоретичній всесвіту відомої як Простір анти-де Ситтера, яка поводиться не так, як всесвіт, де ми живемо.

Ключова різниця полягає в тому, що в нашій всесвіту вакуум не такий спокійний і нерухомий. Він вирує темною енергією, таємничим речовиною або силою, яка, як вважається, відповідальна за прискорення розширення простору-часу.

Замість того, щоб намагатися вирішити цю проблему, Ферлінде глянув на те, як гравітація, викликана взаємодією між заплутаними битами квантової інформації, поводиться у всесвіті, де є темна енергія. В результаті він отримав нову картину гравітації, в якій темна енергія надає заплутаності квантових бітів щось на зразок додаткової еластичності.

«Виходить так, як ніби темна енергія це еластична среда, - каже Ферлінде, - і якщо внести туди масу, вона деформує цю середу». Додаткова еластичність, додає він, створювана темною енергією, підживлює силу тяжіння на великих відстанях, що в підсумку призводить до появи додаткових ефектів на відстані, які нагадують теорію Мілгрома MOND.

Ідеї ​​Ферлінде справили велике враження, але поки незрозуміло наскільки вони взагалі зв'язні. «Він починає з темної енергії, і каже, що це веде до чогось, що нагадує темну матерію», - каже Сабіна Хоссенфельдер [Sabine Hossenfelder] з Франкфуртського інституту передових досліджень в Німеччині. «Він усіма силами намагається пов'язати свої гіпотези з великим припущенням, яке в останні роки набрало більшу популярність, про те, що простір-час виникає з заплутаності. Але я не впевнена, що в цьому є необхідність ».

В одному з недавніх досліджень було виявлено, що якщо прийняти точку зору Ферлінде на гравітацію, то можна пояснити аномалії в гравітаційне лінзування спостерігається поблизу близько 30 000 галактик. Але його теорія зазнала критики за те, що вона робить передбачення, які фактично розходяться з MOND. В одній науковій роботі у співавторстві з МакГі, наприклад, говориться, що теорія Ферлінде розходиться з MOND в головному - пояснення аномального обертання галактик. Крім цього його теорія передбачає рух планет, яке ми практично не спостерігаємо в нашій Сонячній системі.

Смолін зі свого боку запропонував більш скромну спробу вивести MOND-фізику з принципів квантової гравітації, і, на відміну від теорії Ферлінде, його результати не розходяться з теорією MOND. Ніхто з них не заявляє, що він отримав повну теорію квантової гравітації. Але одне стає ясно - на питання, чому гравітація поводиться так дивно на великих відстанях, теоретики почали отримувати відповіді.

«Ми не знаємо, куди заведе нас остаточна теорія, тому що ми її ще не вивели», - говорить МакГі. «Тому перед тим як просунутися вперед, нам нікуди не дітися від пори розброду і хитань».

Марк Андерсон

джерело GT