«Вселенная бросает вызов Эйнштейну», «Новое открытие ставит под сомнение общую теорию относительности» и даже «Теории относительности Эйнштейна — конец». Такие заголовки на этой неделе появились во многих зарубежных и российских медиа. Поводом для них стала статья, опубликованная французскими и швейцарскими физиками в престижном научном журнале Nature Communications. Так что, выводы самого известного ученого планеты правда удалось опровергнуть? Ждут ли нас новые законы физики? Или это просто охота за сенсациями? На эти вопросы Собака.ru максимально просто(!) отвечает доцент кафедры физики высоких энергий и элементарных частиц СПбГУ Антон Шейкин.
Что случилось?
Антон Шейкин: Случилось то, что 11 ноября в действительно престижном научном журнале Nature Communications была опубликована статья. Ее авторы — вполне респектабельные ученые из университетов Женевы и Тулузы — пытаются разобраться в том, как устроена наша Вселенная (а, если точнее, в том как она расширяется).
Уже почти 30 лет как физики знают, что Вселенная расширяется ускоренно. Проще говоря, чем больше времени проходит с Большого взрывы, тем с большей скоростью галактики «убегают» от нас. Это не означает, что Земля какое-то особенно плохое место, подобную картину мы могли бы наблюдать в любой точке Вселенной.
За эти 30 лет физики предпринимали множество попыток измерить это самое ускорение. Это можно делать разными способами и в разных масштабах (наблюдая за звездами, галактиками, скоплениями галактик и так далее). И вот, последние лет пять в космологии (раздел физики, который изучает эволюцию вселенной в целом, — прим. Собака.ru) существует очень приятная для ученых проблема. Данные наблюдений за объектами разных масштабов перестают сходиться друг с другом. Кроме того, существующих теорий перестает хватать для того, чтобы точно их описать. Я говорю, что проблема это приятная, поскольку, она означает, что науке есть куда двигаться дальше.
Так вот, авторы обсуждаемой статьи исследовали, на каких масштабах это рассогласование проявляется наиболее сильно.
Причем тут Эйнштейн?
Антон Шейкин: При том, что современные космологические модели, то есть математические описания того, как устроена Вселенная, основаны на Общей теории относительности Эйнштейна.
В XVII веке Исаак Ньютон (по легенде, после падения яблока) создал знакомую нам всем со школы теорию гравитации. Она прекрасно описывает все то, что происходит в Солнечной системе, но даже сам Ньютон понимал, что она довольно плохо приложима ко всей Вселенной в целом. В самом деле, если бы гравитация проявлялась только в притяжении тел, то объекты в конечной вселенной притянулись бы к какому-то одному центру и и равномерного распределения звезд нельзя было бы достичь. Поскольку звезды мы видим равномерно распределенными по небу, приходится предполагать, что вселенная бесконечна, а ньютоновская же гравитация не в состоянии ее непротиворечиво описать (так называемый гравитационный парадокс).
Пытаясь объяснить этот факт, Эйнштейн около ста лет назад предложил новую теорию гравитации — она предполагает, что пространство искривлено, как смятый лист. Она позволила моему научному предку, петербургскому физику Александру Фридману, создать вполне работающую по тем временам математическую модель того, как устроена наша Вселенная. На ее базе и построена вся современная космология.
Почему все пишут, что новое исследование «опровергло» Эйнштейна?
Антон Шейкин: На самом деле об этом говорят далеко не в первый раз. В последние лет пять появилось множество свидетельств того, что наша космологическая модель, основанная на теории относительности Эйнштейна, слишком жесткая. Она не позволяет описать те тонкие эффекты, которые астрофизики видят на реальных данных.
К примеру, есть такая величина, как постоянная Хаббла — очень грубо говоря, это наблюдаемая скорость расширения Вселенной в данный конкретный момент. Ее можно измерять, наблюдая за явлениями разных масштабов: пульсирующие звезды-цефеиды, взрывы сверхновых и так далее. И вот, наблюдения на таких разных масштабах дают вопиюще рассогласованные значения параметра Хаббла. Это одна из главных научных задач, на которых направлены сейчас усилия большей части космологов планеты.
А как вообще можно измерить скорость расширения вселенной?
К примеру, физики используют так называемый феномен красного смещения. Ученым известно, что сигнал, который посылает объект, меняются в зависимости от того, приближаются он к нам или, наоборот, удаляется.
«Этот эффект хорошо знаком каждому из нас, — объясняет Антон Шейкин, доцент кафедры физики высоких энергий и элементарных частиц, кандидат физ-мат наук и лектор общества "Знание". — Вспомните, когда вы стоите на обочине, и мимо вас проезжает скорая помощь, то звук ее сирены немного меняется. Звук приближающейся к вам сирены кажется немного выше, чем отдаляющейся от вас. То же самое происходит и со светом. Если какой-то объект быстро приближается к вам, то свет от него будет казаться чуть более синим, а если улетает от вас — красным».
Таким образом, то, насколько звезды или галактики кажутся краснее, чем, по расчетам, должны быть, и показывает как быстро они удаляются от Земли в силу расширения вселенной.
Антон Шейкин: Авторы статьи в Nature Communications анализируют доступные сегодня данные и видят, что результаты наблюдений не во всем соответствуют предсказаниям Общей теории относительности. Дело в том, что чем дальше от Земли мы смотрим, тем старше события, мы наблюдаем (это происходит из-за того, что свет от отдаленных звезд или галактик идет дольше, чем от тех, что расположены ближе к Земле, — прим. Собака.ru).
И вот, авторы статьи показали, что события из более ранней истории Галактики, то есть те, что произошли очень давно, вполне укладываются в теорию относительности Эйнштейна. А вот, более «свежие» — уже не совсем.
Исаак Тутусаус
Сотрудник Института исследований астрофизики и планетологии (IRAP/OMP) в Университете Тулузы, соавтор статьи (цитата по сайту IRAP):
Мы обнаружили, что в далеком прошлом, 6 и 7 миллиардов лет назад, глубина гравитационных колодцев (деформации Вселенной под воздействием гравитации небесных тел, таких как звезды и черные дыры, — прим. Собака.ru) полностью согласуется с предсказаниями Эйнштейна. С другой стороны, в период, более близкий к сегодняшнему дню, 3,5 и 5 миллиардов лет назад, они немного мельче, чем предсказывал Эйнштейн.
Так что, Эйнштейна удалось опровергнуть или нет?
Антон Шейкин: Если коротко — нет. Дело в том, что за последние столетия мы достаточно хорошо овладели научным методом. Поэтому в современной физике не так просто найти устоявшиеся теории, которые бы затем опровергли, то есть признали бы, что все предположения, лежащие в их основе, являются фундаментально неверными.
Что на самом деле происходит с физическими теориями? Их уточнение. Была концепция Ньютона, которая по-прежнему хорошо работает в рамках Солнечной системы и не очень — за ее пределами, так как не учитывает некоторые важные факторы, которые влияют на небесные тела в существенно большем масштабе. Но на этом основании никто не говорит, что теория Ньютона опровергнута. Ее по-прежнему изучают в школе, и она лежит в основе многих расчетов ученых.
То же самое происходит и с теорией Эйнштейна. Она хорошо работает на сравнительно «компактных» астрофизических объектах: таких, как черные дыры и нейтронные звезды, но хуже, когда речь идет о сверхбольших масштабах всей Вселенной.
Вспомните Нобелевские премии последних 10 лет — две из них даны за исследования, которые подтверждают Общую теорию относительности. В 2017 году премией отметили исследователей гравитационных волн, а в 2020-м — ученых, изучавших черные дыры. В обоих случаях предсказания Эйнштейна блестяще подтвердились.
Так что, суммируя все вышесказанное, статья в Nature Communications — очень важна, она посвящена крайне актуальному и интересному вопросу. Но это лишь шаг на пути к новой теории гравитации, которая не опровергнет, а дополнит, или если угодно, разовьет Общую теорию относительности. Так что существующие учебники физики выбрасывать не понадобится — тут не следует поднимать панику.
Комментарии (0)