Космологи всего мира пытаются разгадать три главные загадки современной физики. Первая – темная материя, которую ввели для объяснения слишком быстрого движения звезд и галактик. Вторая – темная энергия, объясняющая неожиданное ускорение расширения Вселенной. Третья проблема получила название “хаббловского напряжения” – ученые не могут прийти к согласию относительно точной скорости, с которой расширяется космос в настоящее время.
Фундаментом современной космологии служит общая теория относительности Эйнштейна. В ее основе лежит концепция единого четырехмерного пространства-времени. Массивные объекты искривляют этот континуум, порождая то, что мы воспринимаем как силу тяготения. Представьте себе натянутую ткань – если положить на нее тяжелый шар, полотно прогнется. Подобным образом небесные тела деформируют геометрию реальности.
Общая теория относительности не может объяснить некоторые явления. Галактики вращаются настолько стремительно, что должны были бы разорваться на части из-за центробежной силы, если учитывать только видимое вещество. Чтобы решить проблему, физики предположили существование невидимой субстанции – темной материи, чья гравитация удерживает звездные системы от распада.
В 1928 году Эйнштейн предложил альтернативный взгляд на природу тяготения. Вдохновленный работами Джеймса Максвелла, который в начале 1860-х годов сумел описать электричество, магнетизм и свет как проявления единого электромагнитного поля, великий физик попытался создать объединенную теорию фундаментальных сил природы.
Телепараллельная теория описывает взаимодействие материи и энергии принципиально иным способом. В этой модели массивные тела не прогибают ткань мироздания, а закручивают ее подобно тому, как закручивается вода в водовороте. Возникающие “гравитационные вихри” распространяются во всех направлениях, определяя движение окружающих объектов.
С математической точки зрения новый подход оказался намного сложнее исходной теории. В уравнениях появились специальные объекты – тетрады, описывающие локальное закручивание в каждой точке. Такой формализм предоставил больше гибкости, но существенно усложнил вычисления и проверку гипотезы.
После смерти создателя альтернативную концепцию практически забыли. Исследователи сосредоточились на изучении квантового мира – области, где классическая физика не работает, а привычные представления о пространстве и времени теряют смысл. Лишь немногие энтузиасты продолжали изучать оригинальные идеи Эйнштейна.
Отказавшись от амбициозной цели объединить гравитацию с электромагнетизмом, теоретики обнаружили удивительный факт: при описании чисто гравитационных эффектов новая модель дает те же результаты, что и общая теория относительности. Математически оказалось неважно, считаем ли мы, что массивные тела искривляют или закручивают окружающее пространство – итоговые предсказания совпадают.
В августе 2017 года международная коллаборация зафиксировала историческое событие – слияние двух нейтронных звезд. Детекторы LIGO и Virgo уловили колебания пространства от этого катаклизма, а десятки телескопов наблюдали мощную вспышку излучения. Сигналы от события, произошедшего в галактике NGC 4993 на расстоянии 130 миллионов световых лет, достигли Земли практически одновременно – с разницей всего в три секунды.
Это открытие нанесло сокрушительный удар по многим нестандартным теориям гравитации. Согласно их предсказаниям, гравитационные волны должны были распространяться медленнее света, и разница во времени прибытия сигналов составила бы часы или даже дни.
Сложный математический аппарат новой теории позволяет по-другому взглянуть на загадки космологии. Ученые могут включить в уравнения дополнительные переменные, которые учитывают, как пространство закручивается. Если правильно настроить эти параметры, теория сможет объяснить то, что мы наблюдаем, без привлечения гипотетических темной материи и темной энергии.
Однако математическая сложность создает серьезные препятствия. Молодым физикам требуются годы, чтобы освоить необходимый инструментарий. Проверка теоретических предсказаний также затруднена – громоздкие уравнения приходится решать численно, с помощью компьютеров, что повышает вероятность ошибок.
Абстрактность формализма порождает дополнительные дилеммы. Не всегда удается установить четкую связь между математическими конструкциями и реальными физическими процессами. Иногда элегантные на бумаге решения приводят к бессмысленным результатам – бесконечным энергиям или нарушению причинности.
Современные исследования альтернативной теории развиваются в двух основных направлениях. Первое изучает ее фундаментальные свойства – поведение черных дыр, эволюцию Вселенной при Большом взрыве, распространение гравитационных волн. Специалисты проверяют соответствие теоретических выводов астрономическим наблюдениям.
Во втором направлении новый подход применяется к нерешенным проблемам космологии. Физики разрабатывают модифицированные версии концепции, способные объяснить ускоренное расширение космоса без темной энергии или устранить необходимость в невидимой материи. Некоторые надеются, что дополнительная математическая свобода поможет разрешить проблему хаббловского напряжения.
За последние десятилетия исследователи предложили множество вариаций теории тяготения. С помощью модифицированной ньютоновской динамики пытались объяснить движение галактик без темного вещества, но в итоге его наличие всё равно потребовалось в определенных случаях. Концепция “временного ландшафта” связала ускоренное расширение Вселенной с гигантскими космическими пустотами, но их требуемые размеры противоречат реальным данным.
Итак, возможно, разгадка тайн темной материи и темной энергии кроется не в изобретении новых сущностей, а в пересмотре базовых принципов гравитации. Забытая на десятилетия концепция может оказаться недостающим звеном, которое свяжет воедино разрозненные части космологической головоломки.