Мигель Зумалакрарегу знает, что это такое, когда умирают теории. В сентябре 2017 года он был в Институте теоретической физики в Сакле, недалеко от Парижа, где выступил на конференции, посвященной проблематике “темной энергии” и альтернативным теориям гравитации. Тогда официально еще не заявляли об обнаружении и измерении гравитационных волн, спровоцированных столкновением двух нейтронных звезд. Однако позже спорный твит ученого зажег огненную бурю слухов в астрономическом сообществе, а возбужденные исследователи обсуждали открытие в тихих академических коридорах.

Зумалакрарегу, физик-теоретик из Центра космической физики Беркли, изучал, как открытие столкновения нейтронных звезд способно повлиять на альтернативные теории гравитации. Эти теории пытаются преодолеть два огромных противоречия нашего понимания Вселенной. Наблюдения, проведенные десятилетиями, показали, что окружающее пространство, как полагает академическая астрономия, заполнено невидимыми частицами – так называемой «темной материей», которая производит антигравитационную силу, называемую «темной энергией». Альтернативные теории гравитации, в свою очередь, пытаются устранить необходимость этих фантазий путем изменения силы тяжести таким образом, чтобы она «правильно» описывала все известные наблюдения и никаких «темных вещей» на их пояснение не требовалось.

На конференции Зумалакрарегу пошутил перед аудиторией об опасностях сочетания науки и Твиттера, а затем объяснил, каковы будут последствия, если слухи окажутся правдой. Многие исследователи знали о слиянии нейтронных звезд, однако большинство из них просто «не поняли, что их теории находятся на грани кончины», – позже ученый написал в своем электронном письме. В Саклае он перечислил последние доводы традиционалистов.

«Эта конференция была похожа на похороны, где мы передали новости некоторым посетителям».

Нейтронный коллапс

Столкновение нейтронных звезд было только началом. Через несколько месяцев после этого открытия новые данные усложнили жизнь сторонникам модифицированных теорий гравитации. Ученые проанализировали экстремальные астрономические системы, которые представляют собой вращающиеся нейтронные звезды или пульсары, пытаясь отыскать расхождения между их движением и предсказаниями общей теории относительности.

Такие звездные системы позволяют астрономам исследовать гравитацию в «космическом» масштабе и с более высокой точностью. Однако реальных данных как о признаках существования «темной энергии», так и «темной материи» нет. На самом деле одни те же факты «легко» объяснимы как парадигмальными инструментами, так и с помощью альтернативных моделей. Материал только накапливается, а сторонники противоположных лагерей уверенно трубят о подтверждении их «астрономии».

Смешанные наблюдения способствуют тому, что астрономы формируют отчаянные объяснения. Так, во второй половине 26 марта 1859 года Эдмон Лескарбо, молодой врач и любитель-астроном из маленькой деревушки южнее Парижа, внезапно бросил пациентов и бросился к крошечной домашней обсерватории на крыше своего каменного амбара. С помощью своего телескопа он заметил неизвестный круглый объект, странно движущийся (к) параллельно солнцу.

Он быстро отправил новость об этом открытии Урбен Леверье, в то время ведущему в мире астроному. Леверье попытался объяснить странности в движении Меркурия. Все остальные планеты вращаются вокруг Солнца в идеальном согласии с законами движения и тяготения Исаака Ньютона, но Меркурий с каждым витком вокруг солнца сдвигался с орбиты на крошечную величину, – явление, которое сейчас известно как смещение перигелия. Но именно тогда Леверье выдвинул гипотезу о существовании невидимой «темной» планеты, которая «дергает» первую планету Солнечной системы. Наблюдение Лескарбо темного пятна, проходящего рядом с солнцем, показало, что планета, которую Леверье первоначально назвал Вулканом, была реальной. Но гипотеза «темной планеты» осталась, постепенно обретая черты «темной материи», «темной энергии» и т.д.

Естественно, дополнительную “темную планету” никто не нашел, а смещение перигелия Меркурия оставалось загадкой в течение почти шести десятилетий. Потом уже Эйнштейн разработал свою общую теорию относительности, которая прямо предсказала, что Меркурий должен вести себя именно так, как показывали наблюдения.

Вместе с тем стремление Леверье объяснить загадочные наблюдения путем введения в механику движения ранее скрытого объекта, напоминает манию современных исследователей рассматривать «параллельность» существования так называемой «темной материи» и «темной энергии». Ну да, на протяжении десятилетий астрономы замечали, что поведение галактик не соответствует предсказаниям общей теории относительности. Но «темная материя» – это лишь удобная версия, которая объясняет это поведение. Точно так же ускоряющееся расширение Вселенной можно рассматривать как пространство, питаемое «темной энергией». В такую гипотезу можно только верить. Доказать ее нереально.

Привкус неудачи заключается в «неуловимости» темноты – материальна она или нет. Это просто вымышленная планета Вулкан – не более того.

Проверяемость непроверяемого

Однако для того, чтобы любая альтернативная теория гравитации «заработала», она должна не только избавиться от «темной материи» и «темной энергии», но и модифицировать предсказания общей теории относительности во всех стандартных контекстах. Уже очевидно, что ОТО Эйнштейна – это частный случай более сложной теории, – ньютонова версия также работала, но только в «земных» или «околоземных» масштабах.

Впрочем, и «альтернативщики» тоже не спешат с научными обобщениями. Теорию «струн» можно рассматривать как недоразумение, а пояснения при помощи квантовой гравитации не дают релятивистских прогнозов. Другие теории страдают неправильными прогнозами, поэтому перед теоретиками лежит пока неосуществимая задача по созданию более точной концептуальной основы. По крайней мере, такое понимание у части астрономов и физиков есть, что в определенной степени радует, – засилье академизма здесь не на столько велико, как в других научных областях.

Среди наиболее известных альтернативных теорий гравитаций выделяется MOND – измененная ньютоновская динамика. Теория пытается избавиться от требования «темной материи», заодно меняя и наше определение гравитации. Астрономы ведь не отрицают, что гравитация, продуцируемая обычной материей, кажется недостаточной, чтобы, например, «удерживать» быстро движущиеся звезды внутри галактических систем. Предполагается, что гравитационное притяжение «темной материи» составляет разницу между наблюдаемым и требуемым гравитационным эффектом. Но согласно MOND, существуют два вида гравитации. В областях, где сила тяжести сильна, тела подчиняются закону тяготения Ньютона, в котором говорится, что сила притяжения между двумя объектами уменьшается пропорционально квадрату расстояния, которое их отделяет. Но в условиях чрезвычайно слабой гравитации – на уровне внешней части галактик – MOND предлагает использовать другой тип гравитации. Эта гравитация медленнее уменьшается с расстоянием, а это означает, что она не ослабевает. «Идея состоит в том, чтобы усилить гравитацию, когда она должна быть слабее, например, на окраине галактики», – говоит Зумалакрарегу.

Еше одно объяснение – введение в гравитационное поле дополнительного элемента TeVeS (тензор-вектор-скаляр), релятивистского аналога MOND. В то время как MOND является модификацией ньютоновской теории гравитации, TeVeS представляет собой попытку взять общее представление о MOND и превратить его в полную математическую теорию, которая применима ко вселенной в целом – не только к относительно небольшим объектам, таким, как отдельные звездные системы и галактики. Подобный подход также поясняет кривые вращения галактик, делая силу тяжести на их окраинах согласованной с данными наблюдения. Но TeVeS увеличивает гравитацию за счет «скалярных» и «векторных» полей, что проблематично для астрономического взгляда на мир. Скалярное поле подобно температуре в атмосфере: в каждой точке оно имеет числовое значение, но не имеет никакого направления. Векторное поле, напротив, похоже на ветер: оно имеет как значение (скорость ветра), так и направление.

Есть и так называемые теории Галилеона – часть класса теорий, которые пытаются модифицировать общую теорию относительности при помощи того же скалярного поля. Многие из этих теорий (теория Бранса-Дикке, теории хамелеонов и квинтэссенции) предоставляют достаточно разные математические модели с неоднозначным прогностическим потенциалом.

Существуют также автономные теории, такие, как теория Эрика Верлинде. Согласно его версии, законы гравитации естественным образом возникают из законов термодинамики, так же как волны, выходящие из молекул воды в океане. Позже Верлинде писал, что его идеи не являются «альтернативной теорией» гравитации, а представляют собой «следующую теорию гравитации, которая содержит и превосходит общую относительность Эйнштейна». Вместе с тем к Верлинде есть претензии: «У меня сложилось впечатление, что теория до сих пор недостаточно разработана, чтобы проводить точные испытания, – уверена представитель “сомневающейся” академической астрономии, Энн Арчибальд. В некоторой степени подобного мнения и Зумалакрареги: «Она (теория Верлинде – Alter Science) построена на «причудливых словах», – уверен ученый, – но нет математической основы для расчета прогнозов и проведения достоверных тестов».

В любом случае прогнозы, которые делаются другими теориями, отличаются от предсказаний общей теории относительности. Но эти различия могут быть минимальными, что затрудняет обнаружение подтверждающих вычисления данных.

Рассмотрим слияние нейтронных звезд. Когда гравитационно-волновая обсерватория LIGO зафиксировала гравитационные волны, исходящие в результате этого события, космический спутник Ферми подтвердил гамма-всплеск с того же места. Два сигнала прошли через вселенную в течение 130 миллионов лет, прежде чем достигнуть Земли всего на 1,7 секунды.

Эти почти одновременные наблюдения «жестоко и безжалостно убили» теорию TeVeS, уверен Пауло Фрайр, астрофизик в Институте радиоастрономии им. Макса Планка в Бонне, Германия. «Гравитация и гравитационные волны распространяются со скоростью света с чрезвычайно высокой точностью, что совсем не то, что было предсказано этими [альтернативными] теориями».

Та же участь постигла некоторые теории Галилеона, которые предполагают наличие дополнительного скалярного поля для объяснения ускоренного расширения вселенной. Они также предсказывают, что гравитационные волны распространяются медленнее света. Астрофизик Брайан Шмидт говорит, что слияние нейтронных звезд также убило и этот пласт гипотез.

Дальнейшие ограничения исходят от новых пульсарных систем. В 2013 году Арчибальд и ее коллеги обнаружили необычную тройную систему: сдвоенные пульсар и белый карлик, которые вращаются вокруг второго белого карлика. Эти три объекта существуют в пространстве, меньшем, чем орбита Земли вокруг Солнца. Плотная настройка, утверждает Арчибальд, предлагает идеальные условия для проверки важного аспекта общей теории относительности, известного как принцип сильной эквивалентности, который утверждает, что очень плотные объекты сильной гравитации, такие, как нейтронные звезды или «черные дыры», «падают» одинаковым образом, если они помещаются в гравитационное поле. (На Земле более известный принцип слабой эквивалентности: если мы игнорируем сопротивление воздуха, перо и кирпич будут падать с одинаковой скоростью).

Тройная система позволяет проверить, точно ли пульсар и внутренний белый карлик попадают точно в гравитационное поле внешнего белого карлика или нет. В некоторых теориях альтернативной гравитации предполагается, что скалярное поле, генерируемое в пульсаре, должно сгибать пространство-время гораздо более экстремальным образом, чем белый карлик. Они не будут «падать» подобным образом, что приведет к нарушению принципа сильной эквивалентности, а вместе с тем, и общей теории относительности.

За последние пять лет Арчибальд и ее команда зафиксировали 27 000 измерений положения пульсара, поскольку он вращается вокруг двух других звезд. Пока проект все еще продолжается, но похоже, результаты будут согласованы с положениями теории Эйнштейна, уверена Арчибальд.

«Можно сказать, что степень, в которой пульсар ведет себя ненормально, составляет не более нескольких долей от миллиона. Для объекта с такой сильной гравитацией зафиксированные данные хорошо согласуются с предсказаниями Эйнштейна, и если есть одно из этих скалярных полей, оно должно иметь крошечный эффект».

Тест, который должен быть представлен в ближайшее время, покажет наилучшие ограничения для целой группы альтернативных гравитационных теорий, – добавила она. Если теория работает только с некоторым дополнительным скалярным полем, то такое поле должно изменять поведение пульсара. Вопрос лишь в фиксации «аномалий», что является методологически затруднительным: а что в этом случае может считаться «аномалией»?

Данные из другой пульсарной системы, также предположительно исключают теорию TeVeS. Обнаруженный в 2003 году, двойной пульсар был до недавнего времени единственной бинарной системой нейтронных звезд, в которой обе нейтронные звезды оказались пульсарами. Фрайр и его коллеги уже подтвердили, что поведение двойного пульсара полностью соответствует общей теории относительности. Прямо перед октябрьским заявлением LIGO о слиянии нейтронных звезд исследователи собирались опубликовать статью, которая «убьет» TeVeS. Но LIGO сделал за них всю работу, утверждает Фрайр. «Нам не нужно больше за это переживать», – подчеркнул ученый.

Скольжение выживших

Несколько гравитационных теорий пережили удар LIGO и, вероятно, они выживут после получения данных пульсара, – говорит Зумалакрареге. Есть теория Хорндески , которая не предполагает изменение скорости гравитационных волн. Есть так называемые теории массивной гравитации. Обычно физики предполагают, что частица, связанная с силой притяжения – гравитон – не имеет массы. В этих теориях гравитон имеет очень малую, но ненулевую массу.

Слияние нейтронных звезд ставит жесткие ограничения на эти теории, говорит Зумалакрарегу, поскольку массивный гравитон будет двигаться медленнее, чем свет. Но в некоторых теориях его масса считается более малой, по крайней мере, на 20 порядков ниже массы нейтрино, а это означает, что гравитон двигается почти со скоростью света.

Есть еще несколько менее известных выживших концепций, и некоторые из них важны для изучения, уверена Арчибальд, пока «темная материя» и «темная энергия» остаются неуловимыми.

«Темная энергия может быть нашей единственной наблюдательной подсказкой, указывающей на новую и лучшую теорию гравитации, – или это может быть таинственная жидкость со странными свойствами и вообще она не имеет никакого отношения к гравитации», – добавляет она.

Тем не менее, уход теорий – это просто то, как наука должна работать, утверждают исследователи-альтернативщики.

«Это то, что мы делаем все время, выдвигаем рабочую гипотезу и проверяем ее», – уверен Энрико Барусс из Института астрофизики в Париже, который работал над теориями, подобными MOND. «99,9% случаев вы исключаете из гипотезы; за счет 0,1 процента вы выиграете Нобелевскую премию».

Зумалакрарегу, который также работал над этими теориями, был сначала огорчен, когда понял, что слияние нейтронной звезды доказало ошибочность теорий Галилеона, но в конечном итоге принял результаты обследований. Неправильные теории, по его словам, уходят, но проблемы-то остаются. А предлагаемых объяснений недостаточно, – убежден астрофизик.

Итак, что требуется для общей теории относительности и теории измененной гравитации? «Этот вопрос мучает меня ночью больше, чем хотелось бы», – шутит Зумалакрарегу. «Хорошей новостью является то, что мы значительно сузили масштаб поисков, и мы можем попытаться развить выжившие теории».

Шмидт полагает, что необходимо максимально точно проверять законы гравитации на примере масштабных объектов, используя текущие и будущие крупные исследования галактик. «Например, мы можем сравнить влияние силы тяжести на изгиб света, а также скорости отдельных галактик; предсказывается, что они отличаются друг от друга, так как гравитация непостоянна», – уточняет он. Исследователи также надеются, что будущие телескопы обнаружат больше пульсарных систем и обеспечит лучшую точность в понимании природы гравитации. Замена LIGO на LISA поможет изучать гравитационные волны с изысканной точностью – проект будет действовать до середины 2030-х годов.