Найден способ проверить теорию массивной гравитации

[Король Альтов]

https://lenta.ru/news/2013/09/12/gravity/

Найден способ проверить теорию массивной гравитации

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.

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.

[Король Альтов]

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.

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.

[Король Альтов]

МОЖНО ЛИ РЕШИТЬ ПРОБЛЕМУ КОСМОЛОГИЧЕСКОЙ ПОСТОЯННОЙ БЕЗ ДÝХОВ?

Седрик Деффайе, известный специалист по вопросам современной космологии, работающий вНациональном центре научных исследований Франции, рассказал о последних достижениях модифицированной теории гравитации. Доклад был сделан наГинзбурговской конференции по проблемам физики, которая проходила в Физическом институте им. П. Н. Лебедева РАН (ФИАН). Основное внимание учёный уделил загадке космологической постоянной — одной из главных нерешённых проблем современной физики. Кратко напомним историю вопроса. В начале XX века Альберт Эйнштейн сформулировал основные положения и идеи общей теории относительности (ОТО), описывающей гравитацию как эффект деформации пространства-времени в присутствии массы-энергии. При этом основное для теории Эйнштейна уравнение содержало слагаемое с задаваемым параметром — космологической постоянной. С самого начала она была введена туда искусственно. Изначально эта величина внедрялась для допущения существования статического решения уравнения — обоснования возможности существования статической Вселенной. Эйнштейну как-то не верилось, что Вселенная может расширяться или сжиматься, но беда была в том, что без члена скосмологической постояннойона рано или поздно «схлопывалась» бы под действием гравитации. Затем теоретические работыАлександра Фридмана, обосновавшего космологическую модель расширяющейся Вселенной, и экспериментальные наблюденияЭдвина Хаббла, выявившего зависимость красного смещения галактик от расстояния до них, убедили Эйнштейна в нестационарности Вселенной. К радости научного сообщества, космологическая постоянная, не вытекавшая из теории, была устранена из уравнений.

В 1919 году Артур Эддингтон на основе наблюдений полного солнечного затмения показал, что свет от звезды искривлялся гравитацией Солнца в точном соответствии с предсказаниями ОТО. (Негатив и фото F. W. Dyson, A. S. Eddington, C. Davidson.)

Но «хеппи-энд» оказался невечным. В 1998 году две крупные научные группы почти одновременно опубликовали результаты наблюдений за динамикой светимости сверхновых звёзд. По зависимости их светимости от расстояния исследователи выяснили, что эти сверхновые не просто удаляются от земных наблюдателей, но и делают это со всё возрастающей скоростью. «Для объяснения в рамках ОТО новых экспериментальных данных, указывающих на ускоренное расширение Вселенной, требуется возвращение гипотезы космологической постоянной или же другие смелые допущения, — комментирует Седрик Деффайе. — Например, введение нового слабовзаимодействующего поля или поиск иных источников тёмной энергии, которая даёт 75% вклада в общую энергию Вселенной. Год назад за это открытие Сол Перлмуттер, Брайан Шмидт и Адам Рисс получили Нобелевскую премию по физике, и научная общественность со свежими силами углубилась в поиски новых моделей гравитации».

[Король Альтов]

Сейчас космологическая постоянная ассоциируется с энергией вакуума. И здесь возникают проблемы. Энергетические масштабы плотности такой энергии (исходя из космологической постоянной, которую можно увязать с наблюдением ускорения расширения Вселенной) оказываются очень малы. Они на много порядков меньше плотностей энергии других видов физических взаимодействий и, главное, предсказаний квантовой гравитации для этой величины. Причины такого расхождения неясны. Кроме того, возникает вопрос о соотношении понятия энергии вакуума с загадочной тёмной энергией.  Один из возможных способов объяснения аномальной малости космологической постоянной использует антропный принцип. Согласно ему, значение этой наблюдаемой константы таково, что способствует возникновению и развитию разумной жизни, вершина которой есть физический наблюдатель, могущий измерить эту константу. Некоторая натянутость гипотезы, связывающей важнейшие черты окружающего наблюдателя мира с фактом существования наблюдателя, давно дискутируется в научном сообществе. Дэвид Гросс, напомним, в своё время заявил без околичностей, что антропный принцип является средством прикрытия незнания нами ответов на сложные вопросы. Некоторые учёные не согласны с этим принципом, а потому разрабатывают альтернативные модели гравитации, модифицирующие ОТО при низких энергиях или же на больших расстояниях. Ключевая сложность таких гипотез заключается в том, что они должны одновременно отличаться от нынешних теорий гравитации для больших расстояний и совпадать с ними на малых, где имеющиеся теории гарантированно работают. «Если мы предлагаем модификацию теории гравитации, которая позволила бы описать эффекты тёмной энергии на больших космологических масштабах, то нужно позаботиться о том, чтобы на малых расстояниях продолжала работать гравитация Ньютона или Эйнштейна, — замечает на этот счёт ведущий научный сотрудник сектора теории элементарных частиц ФИАНа Андрей Барвинский. — Это довольно сложная задача, которая с переменным успехом решается в рамках разных моделей. Эти модели включают, в частности, теорию массивной гравитации или модели с массивными гравитонами. Изучаются различные аспекты этой теории — со всеми её достоинствами, недостатками и внутренними проблемами». Основная идея модифицированной теории гравитации состоит в устранении космологической постоянной и каких-либо новых полей, имитирующих таковую. Как уже отмечалось, никакого теоретического обоснования ни у постоянной, ни у новых полей нет. Вместо этого теория изменяет сами законы тяготения/гравитации на больших (в космологических масштабах) расстояниях и отрезках времени, что вполне может привести к объяснению ускоренного расширения Вселенной. Одна из таких новых моделей — массивная гравитация, в которой гравитон (переносчик гравитационных взаимодействий) считается массивной частицей. Доклад Седрика Деффайе как раз и строился на том, что отказаться от космологической постоянной в уравнениях ОТО можно, добавив в них дополнительный член, связанный с массой гравитона. Но в такой модели тоже есть свои трудности. Так, в модифицированных теориях гравитации с массивным гравитоном возникают феноменологически запрещённые частицы — тахионы (гипотетические частицы, двигающиеся со сверхсветовыми скоростями) и дýхи. И то и другое плохо. Тахионы, если они способны предавать информацию, противоречат утверждению о скорости света как максимальной. «Дýховое» (здесь речь идёт о «плохих духах», bad ghosts) состояние означает, что теоретически существуют частицы с отрицательной энергией. В результате возникает опасность того, что теория станет нестабильной. Другими словами, если некая доля частиц в системе обладает положительной энергией, а другая доля — отрицательной, то закон сохранения энергии не запрещает процессов неограниченного рождения частиц как того, так и другого знака энергии, что противоречит современным наблюдениям. Да и говорить о сохранении энергии в ситуации, когда любое её количество может появляться и исчезать (если появляется и исчезает энергия с отрицательным знаком), тоже будет затруднительно.

Так выглядел бы гипотетический тахион, если бы его можно было увидеть. Когда он проходит мимо ближайшей к наблюдателю точки, тот увидит возникший вдруг объект, разделяющийся на две удаляющиеся в разные стороны части. (Илл. Wikimedia Commons.)

[Король Альтов]

Другое неприятное следствие существование дýхов (если их не исключить из теорий модифицированной гравитации) — появление отрицательных вероятностей, впервые упомянутых Полем Дираком в 1942 году в работе «Физическая интерпретация квантовой механики». Нет нужды подробно останавливаться на дестабилизирующем влиянии такой концепции на квантовую механику. Да и за её пределами будет не всегда просто ответить на вопрос, что такое вероятность в –10%. В своих работах Седрик Деффайе изучает механизм разрешения этой проблемы. Для этого он анализирует различные нелинейные теории массивной гравитации, предполагающие сложную зависимость закона тяготения от пространственного масштаба, на котором он действует, и гарантирующие отсутствие тахионных и дýховых нестабильностей. Проблемой таких теорий, как и почти всех современных модификаций общей теории относительности, является то, что они должны быть подстроены под экспериментальные данные при помощи внешних параметров. В то же время в современной космологии такая процедура грубой подстройки руками параметров теории считается контрпродуктивным направлением, по сути не отличающимся от внедрения той же космологической константы. Наилучшей теорией модифицированной гравитации были бы какие-то естественные механизмы, которые приводили бы к известному чрезмерно малому значению космологической постоянной без внедрения новых сторонних параметров. Поиск таких механизмов активно ведётся.