Педро Феррейра Идеальная теория. Битва за общую теорию относительности

Глава XIII Показная экстраполяция

Многие астрофизики сочли, что Милгром в своей модификации гравитации зашел слишком далеко. У теории не было основополагающего принципа, она относилась не к обоснованным гипотезам, а скорее к фантазиям. Бекенштейн говорил, что во время описания этой идеи в 1982 году на конференции Международного астрономического союза «некоторые смотрели на меня так, как будто я признался, что видел НЛО... Практически все считали ввод в рассмотрение темной материи важным и выступали за него». В течение следующих двух десятилетий подавляющее большинство астрофизиков и релятивистов игнорировало идею Милгрома или пыталось ее опровергнуть.

Время от времени появлялись статьи, в которых закон Милгрома применялся к разным астрофизическим ситуациям и демонстрировалось, что он не работает. Зачастую эти работы были написаны на скорую руку и являлись неполными, но поскольку они опровергали MOND, то считались вполне научными и без проблем публиковались. Статьи же в защиту MOND воспринимались как ненаучные и появлялись на страницах журналов только после тяжелой борьбы. Как сказал один из астрономов, аббревиатура MOND считалась ругательством. Пиблс взирал на эту битву сверху но в 2002 году выступил от лица Милгрома и его коллег с упреком: «Теория MOND пока никак не опровергнута, и людей, которые ею занимаются, следует больше поощрять».

Яков Бекенштейн высказался по поводу отношения к работающим над этой теорией куда более резко: «Следует принять во внимание, что противостояние между теорией MOND и теорией темной материи не является чисто научным. В поиски темной материи инвестировались большие деньги... Теперь без нее нельзя обойтись, поскольку она стала основой многих карьер. Очевидно, что если на сцену выйдет теория, подобная MOND, это приведет к сокращению бюджета, выделяемого на исследования темной материи, и работы в этой сфере станет меньше».

С момента появления MOND Бекенштейн искал пути улучшения этой теории. Он имел склонность доискиваться до самых корней физических теорий и просто не мог оставить MOND в том состоянии, в котором она была. Он хотел получить нечто, сравнимое с общей теорией относительности и применимое во всех масштабах, от происходящего на Земле до процессов во Вселенной в целом. «Я решил, — говорил Бекенштейн,—что пришло время в качестве аргумента создать пример релятивистской теории». В 2004 году он опубликовал статью с описанием новой теории, конкурирующей с построениями Эйнштейна. Он назвал ее TeVeS, что расшифровывалось как тензон-вектор-скалярная теория гравитации. Красивой эта теория не была.

Название намекало на мешанину полей, которые в совокупности приводили к совершенно новому набору уравнений; намного более сложному и запутанному чем уравнения общей теории относительности Эйнштейна. Но при всей своей хаотичности теория Бекенштейна работала. В приложении к галактикам она вела себя как MOND, одновременно позволяя рассматривать эволюцию Вселенной и формирование крупномасштабных структур. Большинство космологов и релятивистов относились к TeVeS с пренебрежением. Они отвергали ее как кустарный, громоздкий способ обхода проблемы; не дающий представления о ее сути. Но этот способ был предложен релятивистом с безупречной репутацией.

Сформулированный Бекенштейном обобщенный второй закон термодинамики для черных дыр стал одним из наиболее глубоких откровений современной общей теории относительности и квантовой физики. Разумеется, существовала тенденция, когда старые, известные физики начинали разрабатывать странные идеи и проталкивали их силой своего авторитета. Но Бекенштейн к их числу не относился. Бекенштейн был не одинок. Его предложение решало проблему темной материи; в то время как его коллеги пытались избавиться от космологической постоянной и темной энергии. Возросло количество гипотез, конкурирующих с общей теорией относительности; усилилась борьба вокруг корректной теории гравитации.

Дополнительную аргументацию предоставляли потрясающие наблюдения, произведенные при помощи новых телескопов и инструментов, разработанных благодаря стремительному росту физической космологии. Любой анализ нового фрагмента космологических данных, подтверждающих общую теорию относительности; проходил по одной и той же схеме. Результаты неизбежно публиковались в виде пресс-релиза, а потом широко освещались в журналах, после чего с такой же неизбежностью следовал шквал статей, указывающих, что аргументы, воспринимаемые как неопровержимые доказательства общей теории относительности, на самом деле таковыми не являются.

Статья, появившаяся в январе 2008 года в журнале Nature, стала сигналом еще одного тихого сдвига. В ней группа итальянских наблюдателей анализировала данные исследования галактик. Аналогичными исследованиями Джим Пиблс и его последователи занимались почти сорок лет. Изучая способ группировки галактик, итальянская группа смогла измерить скорость, с которой они падали друг на друга, притягиваемые общим гравитационным полем. В этом не было ничего нового. Подобные вещи многократно делались и ранее для различных групп галактик. Интерес вызвал способ представления данных: на график с результатами наблюдений итальянцы заодно наложили прогнозы, полученные согласно как общей теорией относительности, так и других, альтернативных моделей гравитации.

Часть предсказаний полностью совпала с экспериментальными данными, часть не имела с ними ничего общего. Но это был совершенно очевидный ход: сравнение теории с результатами наблюдений. Статья в Nature ознаменовала изменение духа и акцентов среди практикующих космологов. С конца 1990-х годов приоритетной была задача измерения, характеристики и доказательства существования темной энергии, а в этой статье экспериментальными данными воспользовались для проверки общей теории относительности.

Это было возвращение к проверке фундаментальных предположений физической космологии. В последующие годы приоритетной задачей космологических экспериментов стала проверка общей теории относительности. Ученые все еще хотели знать, существует ли темная материя, из чего она состоит, каким образом формируются галактики, превращаясь в строительные кирпичики Вселенной. Но снова и снова на семинарах и пленарных лекциях, в заявках ученых на финансирование центральное место занимала проверка общей теории относительности. Модификации теории гравитации до сих пор не одобряются многими, если не всеми, релятивистами.

Корректировка общей теории относительности в случаях, когда она входит в противоречие с квантовой физикой, принимается спокойно, но попытки приведения пространства-времени в соответствие с результатами наблюдений — дело совсем другое. Теория Эйнштейна содержит еще много непонятного и неоткрытого, а ее исправление релятивисты считают ненужным и неэлегантным усложнением. Однако окружающий мир может не соглашаться с этим, и благодаря астрономам, снова начавшим интересоваться работами Эйнштейна, у нас есть возможность исследовать фундаментальные законы пространства-времени, дальше и глубже заглядывая в космос.

Идеи Дирака, Сахарова и Бекенштейна, подкрепленные свежими работами в наблюдательной космологии, открывают перед нами новый, слишком захватывающий, чтобы от него отмахнуться, способ мышления и ставят перед этой мощной наукой новую цель. Вместе с коллегами из Оксфорда и Ноттингема я решил принять участие в написании обзора методов модификации гравитации. Мы почувствовали себя исследователями джунглей, открывающими новые, экзотические объекты. Дюжины теорий, одна страннее другой, предлагали причудливые исправления общей теории относительности, часто с удивительными, реалистичными результатами. В нашем обзоре был представлен богатый выбор гравитационных теорий, многие из которых могли бы составить жесткую конкуренцию общей теории относительности.

Над альтернативами теории Эйнштейна задумывается такое количество ученых, что на современных крупных мероприятиях—последователях устраиваемых Девиттом в Чапел-Хилл конференций и Техасских симпозиумов Альфреда Шильда — проводятся параллельные семинары с докладчиками всех возрастов и со всех континентов, пытающимися детально анализировать общую теорию относительности. Эта область науки до сих пор остается побочной, но работают над ней достаточно много ученых. Во время моего утреннего доклада в Кембридже Эфстатиу выразил свое пренебрежение. Но даже этот блестящий ум, ставший одним из пионеров современной стандартной космологической модели, в которой все играет свою роль, в том числе общая теория относительности, темная материя и темная энергия, ощутил бы энтузиазм, если бы новые астрономические данные показали нам дорогу к новой физике.

А новая теория гравитации, возможно надуманная, определенно может считаться новой физикой. Осталось дождаться свежих астрономических данных, которые покажут, есть ли в ней что-то действительно революционное.