Искажение пространства-времени гравитационными массами

С тех пор, как Ньютон впервые выдвинул свою теорию всемирной гравитации, было принято считать, что силы, управляющие гравитацией здесь, на Земле, также управляют движением и формированием планет, звёзд, галактик и крупномасштабных структур Вселенной. С улучшением научного знания ньютоновскую гравитацию заменили эйнштейновской Общей теорией относительности, и ожидается, что её в свою очередь заменит полная, квантовая теория гравитации. Пока что квантовать гравитацию никому не удавалось. Но что, если гравитация – это не фундаментальное взаимодействие, из-за чего её попытки квантования и провалились? Многие читатели сразу прислали вопросы о новой научной работе Эрика Верлинде: "Производная гравитация и Тёмная Вселенная". Давайте разбираться.


Четыре силы (или взаимодействия) в Природе, частицы-переносчики этих взаимодействий и явления, на которые они влияют. Три взаимодействия, управляющие микрокосмом, гораздо сильнее гравитации, и уже объединены через Стандартную модель.

Принято считать, что существуют четыре фундаментальных взаимодействия. Частицы и взаимодействия Стандартной модели, куда входят кварки, лептоны, калибровочные бозоны и частица Хиггса, описывают три из четырёх сил: электромагнетизм, слабое и сильное ядерные взаимодействия. Последняя сила, описанная ОТО – гравитация. Её действие принимается во внимание благодаря кривизне пространства-времени и наличию материи и энергии. Такие эффекты, как гравитационное линзирование, гравитационное излучение и расширение Вселенной – последствия этой теории, и она способна включить в себя и тёмную материю с тёмной энергией. Одна из величайших надежд многих физиков-теоретиков (и теории струн) – хотя это не обязательно – надежда на существование всеобъемлющей платформы, объединяющий все четыре силы.


Ткань пространства-времени, подвергающаяся деформации и волнению из-за массы

Другой подход – рассмотреть возможность того, что сама ОТО, пространство, время, сила гравитации – не фундаментальны, а производны. Возможно, ОТО – это просто сцена, на которой идёт гравитационное представление, и существует более фундаментальная основа тому, что мы воспринимаем, как гравитацию. Подход Верлинде заключается в том, чтобы начать с энтропии и хокинговской температуры чёрной дыры а затем, при помощи идей из теории струн, показать наличие взаимоотношения теории квантовой информации и появления гравитации, пространства и времени.


Две возможных схемы запутанности в пространстве де Ситтера, представляющие запутанные части квантовой информации, которые могут позволить появиться пространству, времени и гравитации.

Основная идея не особо сложна: представьте, что у вас есть две квантовые «единицы», запутанные друг с другом. Добавьте материальную частицу, и у неё появится возможность взаимодействовать с одной из них или с ними обеими. Эта частица может менять запутанность системы, и именно из этого изменения запутанности может появиться гравитация. Поскольку энтропия чёрной дыры пропорциональна площади её поверхности есть искушение рассматривать пространство в виде сети запутанных «единиц», позволяющих появляться гравитации. Кроме того, один из стартовых элементов Верлинде, хокинговская температура чёрной дыры, пропорциональна гравитационному ускорению на её горизонте событий.



Мы не знаем, что происходит в сингулярности внутри чёрной дыры, но данные по горизонту событий, включая энтропию и температуру снаружи, хорошо известны.

Выражается надежда, что при правильных предположениях может появиться полная теория гравитации, которая:

• даст вам четыре измерения пространства-времени (три пространственных и время);
• включит тёмную энергию как положительную космологическую константу;
• объяснит, откуда берутся гравитационные «различия» между предсказаниями Стандартной Модели и наблюдениями.

Надежда довольно мощная, и именно к ней стремится Верлинде. Другие независимо от него работают в том же направлении. Эта работа – отчёт по поводу того, как продвигаются исследования. И как же они продвигаются?


Иллюстрация одного из этапов появления производной гравитации, согласно идее энтропической гравитации

Учитывая узкую специфику предположений, виден определённый прогресс, но есть и много проблем. Крупнейшая, проще говоря, состоит в том, что для того, чтобы получить нечто осмысленное, необходимо принять множество на первый взгляд случайных решений. К примеру: вся мотивация этого подхода основывается в пространстве анти-де Ситтера (пространстве с отрицательной космологической константой), но в нашей Вселенной наблюдается положительная космологическая константа (т.е. это пространство де Ситтера), а у математики этих двух пространств очень разные свойства. Или, энтропия должна подчиняться строгому закону, зависящему от локации, чтобы получить уравнения Эйнштейна, но в этом случае вы не получите космологического горизонта (а у Вселенной он есть). И, наконец, если сделать все предположения, необходимые для того, чтобы появилось гравитационное ускорение, вы уничтожаете все успехи ОТО на масштабах крупнее галактик. Верлинде утверждает, что такой подход имеет право на успех, но наблюдения за столкновениями галактических скоплений опровергают его рассуждения.


Рентгеновская карта (розовый) и общая карта материи (синий) различных сталкивающихся галактических скоплений показывают чёткое разделение нормальной и тёмной материй.

Есть и более фундаментальные разочарования. Модель Верлинде позволяет гравитационной массе стать производной величиной, но в ней не упоминается инерционная масса, или то, почему они одинаковы (принцип эквивалентности Эйнштейна). Или, многие из запутанных предположений, сделанных Верлинде, делают расчёты верными, только если применять к ним сегодняшнее значение Хаббловского расширения, несмотря на то, что в течение жизни Вселенной её скорость расширения менялась кардинально. Также для обоснования своей платформы он предполагает, что тёмная энергия всегда была доминирующей формой энергии во Вселенной, но на самом деле миллиарды лет тёмная энергия была пренебрежимо малой. Иначе говоря, некоторые ключевые понятия современной космологии – формирование крупномасштабных структур или флуктуации реликтового излучения – не объясняются этой работой достаточно хорошо.


Флуктуации всего неба встроены в реликтовое излучение, остаточное излучение Большого взрыва

Но по большей части эта работа – геркулесова попытка разработать радикально новую идею: начав с энтропии и температуры квантовых «кусочков», можно вывести теорию гравитации, включающую пространство и время. Некоторые проблемы этого подхода я бы просуммировал следующим образом:

• Определения энтропии и температуры основываются на том, что сначала необходимо определить ОТО.
• Многие предположения и интерпретации совершаются без чёткой мотивации, кроме как «математика кажется так работает».
• Композиция и структура Вселенной со временем менялась, но законы физики – нет, что противоречит работе Верлинде.
• Работа поднимает много открытых вопросов: можно ли включить в неё стандартную космологическую картину, включая расширение Вселенной, инфляцию, полный набор наблюдений тёмной материи и тёмной энергии?


Вселенная прошла через невероятную эволюцию, чтобы превратиться в то, что есть сейчас

Ведь, хотя эта идея весьма интересна, она должна совпадать с наблюдаемой Вселенной. А чтобы подняться до уровня общепринятой науки, ей нужно сделать предсказание по ещё нерешённому вопросу, которое мы сможем проверить. У неё есть такой потенциал, но для этого требуется не просто тяжёлая работа; требуется, чтобы она была правильной, а так это, или нет, ещё не определено. Новые идеи всегда интересные, и эта может дать нам удивительные открытия. Как гениально сказал Нильс Бор,

Цель нашего описания природы не в том, чтобы открыть самую суть явления, но в том, чтобы как можно дальше отследить связи между многообразием аспектов нашего опыта.

Итан Сигель – астрофизик, популяризатор науки, автор блога Starts With A Bang! Написал книги «За пределами галактики» [Beyond The Galaxy], и «Трекнология: наука Звёздного пути» [Treknology].