Теория гравитации Эйнштейна — общая теория относительности — пользуется большим успехом более века. Однако у нее есть теоретические недостатки. Это неудивительно, теория предсказывает свою собственную неудачу в пространственно—временных сингулярностях внутри черных дыр и сам Большой взрыв.
По мере того как новые и мощные телескопы собирают новые данные о Вселенной, они раскрывают пределы старых теорий.
В отличие от физических теорий, описывающих три фундаментальных взаимодействия в физике — электромагнитное, сильное и слабое - общая теория относительности была проверена только в условиях слабой гравитации.
Отклонения гравитации от общей теории относительности ни в коем случае не исключаются и не проверяются повсюду во Вселенной. Но по мнению физиков-теоретиков отклонения должны быть.
Согласно теории, первоначально предложенной Жоржем Леметром и широко принятой астрономическим сообществом, наша вселенная возникла в результате Большого взрыва. Другие сингулярности скрываются внутри черных дыр: пространство и время перестают там иметь значение, в то время как плотность энергии и давление, становятся бесконечными. Это сигнализирует о том, что теория Эйнштейна здесь терпит неудачу и должна быть заменена более фундаментальной.
Наивно полагать, что пространственно-временные сингулярности должны быть разрешены с помощью квантовой механики , которая применима в очень малых масштабах.
Квантовая физика опирается на две простые идеи: точечные частицы не имеют смысла; и принцип неопределенности Гейзенберга, который гласит, что никогда нельзя знать значение определенных пар величин с абсолютной точностью — например, положение и скорость частицы. Это происходит потому, что частицы следует рассматривать не как точки, а как волны; в малых масштабах они ведут себя как волны материи.
Теория охватывающая как общую теорию относительности, так и квантовую физику, должна быть свободна от подобных патологий. Однако все попытки объединить общую теорию относительности и квантовую физику неизбежно влекут за собой отклонения от теории Эйнштейна.
Следовательно, гравитация Эйнштейна не может быть окончательной теорией гравитации. Действительно, вскоре после введения общей теории относительности Эйнштейном в 1915 году Артур Эддингтон, наиболее известный тем, что подтвердил эту теорию во время солнечного затмения 1919 года , начал искать альтернативы, просто чтобы посмотреть, как все могло бы быть.
Теория Эйнштейна выдержала все проверки на сегодняшний день, точно предсказывая различные результаты, начиная от прецессии орбиты Меркурия и заканчивая существованием гравитационных волн . Итак, где скрываются эти отклонения от общей теории относительности?
Фотография полного солнечного затмения 1919 года. Автор: Артур Эддингтон
Столетие исследований дало нам стандартную космологическую модель, известную как модель "Лямбда-си-ди-эм" (ΛCDM (аббревиатура от Lambda-Cold Dark Matter) . Здесь Λ обозначает либо знаменитую космологическую постоянную Эйнштейна, либо таинственную темную энергию с аналогичными свойствами.
Темная энергия была введена астрономами ad hoc (латинская фраза, означающая «для данного случая», «специально для этого»), чтобы объяснить ускорение космического расширения. Несмотря на чрезвычайно хорошую подгонку космологических данных до недавнего времени, модель ΛCDM является поразительно неполной и неудовлетворительной с теоретической точки зрения.
За последние пять лет ученые столкнулись с серьезной напряженностью в наблюдениях . Постоянная Хаббла, которая определяет возраст и масштаб расстояний во Вселенной, может быть измерена в ранней Вселенной с использованием космического микроволнового фона (т.н. реликтовое излучение), а в поздней Вселенной с использованием сверхновых в качестве стандартных свечей.
Эти два измерения дают несовместимые результаты . Что еще более важно, природа основных компонентов модели ΛCDM — темной энергии, темной материи и поля, управляющего инфляцией ранней Вселенной (очень короткий период чрезвычайно быстрого расширения, зарождающий семена галактик и скоплений галактик) — остается загадкой.
С точки зрения наблюдений, наиболее убедительной причиной изменения гравитации является ускорение Вселенной, обнаруженное в 1998 году с помощью сверхновых типа Ia , яркость которых уменьшается из-за этого ускорения. Модель ΛCDM, основанная на общей теории относительности, постулирует чрезвычайно экзотическую темную энергию с отрицательным давлением, пронизывающую вселенную.
Проблема в том, что эта темная энергия не имеет физического обоснования. Ее природа совершенно неизвестна, хотя было предложено множество моделей . Предлагаемой альтернативой темной энергии является космологическая постоянная Λ, которая, согласно квантово-механическим (но сомнительным) расчетам , должна быть огромной.
Однако вместо этого Λ должна быть невероятно точно настроена, чтобы соответствовать космологическим наблюдениям. Если темная энергия существует, наше незнание ее природы вызывает глубокую тревогу.
Может ли быть так, что вместо этого проблемы возникают из-за неправильных попыток подогнать космологические наблюдения к общей теории относительности, например, втиснуть человека в слишком маленькие брюки? Что мы наблюдаем первые отклонения от общей теории относительности, в то время как таинственной темной энергии просто не существует?
Эта идея, впервые предложенная исследователями из Неаполитанского университета, приобрела огромную популярность, в то время как противоборствующий лагерь "темной энергии" остается активным.
Как мы можем это определить? Отклонения от гравитации Эйнштейна ограничены экспериментами в солнечной системе , недавними наблюдениями за гравитационными волнами и загоризонтными изображениями черных дыр .
В настоящее время существует много литературы по теориям гравитации, альтернативным общей теории относительности, восходящая к ранним исследованиям Эддингтона 1923 года. Очень популярной альтернативой является так называемая скалярно-тензорная гравитация. Концептуально она очень проста, поскольку вводит только один дополнительный компонент (скалярное поле, соответствующее простейшей, бесспиновой частице) в геометрическое описание гравитации Эйнштейна. Однако последствия этого далеки от тривиальных. Поразительным явлением является " эффект хамелеона ", состоящий в том факте, что эта теория может маскироваться под общую теорию относительности в средах с высокой плотностью (таких как звезды или Солнечная система), в то же время сильно отклоняясь от нее в космологической среде с низкой плотностью.
В результате дополнительное (гравитационное) поле фактически отсутствует, маскируясь, как хамелеон, и ощущается только в самых больших (космологических) масштабах.
В настоящее время спектр альтернатив гравитации Эйнштейна резко расширился. Даже добавление единственного массивного скалярного возбуждения (а именно частицы с нулевым спином) к гравитации Эйнштейна - и сохранение полученных уравнений, чтобы избежать некоторых известных фатальных несоответствий, — привело к гораздо более широкому классу теорий Хорндески и последующим обобщениям.
