Панівна космологічна теорія, ΛCDM або Стандартна модель, чудово пояснює спостереження, але з істотним застереженням: вона припускає, що приблизно 95% Всесвіту - це невиявлена темна матерія. Таке вільне допущення спонукає нас до пошуку альтернативних пояснень.
Для теорій, що кидають виклик ΛCDM, когнітивна планка постійно зростає. Вони повинні не лише повторити успіхи в дослідженнях галактик та гравітаційного лінзування, але й пояснити чисельні космологічні спостереження, такі як космічний мікрохвильовий фон і залежність світності від відстані до далеких наднових (нібито доказ існування темної енергії).
Модифікована гравітація (МОГ) як розумний кандидат
Теорія модифікованої гравітації вже добре розроблена, але все ще залишається багатообіцяльною для пояснення різних явищ без темної матерії. Вона слабко пояснює:
-
Маси скупчень галактик.
-
Криві обертання галактик.
-
Дисперсії швидкостей галактик-супутників.
-
Кулясті скупчення.
І водночас модифікована гравітація узгоджується з ключовими космологічними спостереженнями. Останні виміри, зокрема, за допомогою космічного телескопа Джеймса Вебба, демонструють, що МОГ здатна “створити” спектр хвильової потужності (CMB), спектр потужності матерії (галактики) і “обчислити” залежність світності від відстані, які добре узгоджуються зі спостереженнями. Без темної матерії чи космологічної сталої.
Ключові аспекти МОГ
Загальна теорія відносності — це в першу чергу релятивістська теорія, що ґрунтується на принципі відносності простору-часу.
Але МОГ стверджує про інший принцип фізичної дії, коли релятивістські ефекти пояснюються скалярними, тензорними та векторними полями. Нова сутність - масивне векторне поле — необхідне для появи відштовхувальної гравітаційної модифікації на коротких відстанях.
Відповідно, теорія має три константи: гравітаційну константу (G), константу зв'язку (ω) і константу, пов'язану з масою (µ).
Але є різночитання.
Скажімо, одна з варіацій - теорія Калуци-Кляйна - розширює простір-час до вищих розмірностей, які можуть бути компактними або некомпактними.
А от теорії бран стверджують, що наш чотиривимірний простір-час - це гіперповерхня в багатовимірному просторі, де інші природні сили та поля розповсюджуються невідомою нам логікою.
Існують й теорії типу f(R), які замінюють скалярну кривину Річчі в рівнянні Айнштайна на довільну функцію від неї; теорії типу f(T), які замінюють тензор напруженості торсіона в телепаралельній теорії гравітації на довільну функцію від нього; теорії типу f(G), які відмовляються від скалярного інваріанта Гауса-Бонне в рівнянні Айнштайна на користь довільної функції від нього.
Не забуваємо про теорії типу Хорндескі - найзагальніші скалярно-тензорні теорії, що не порушують принципи каузальності й стабільності.
Тобто МОГ модифікує динаміку гравітаційно зв'язаних систем на великих масштабах, щоб пояснити аномальну ротацію галактик без потреби в темній матерії.
Хоча можна обійтися взагалі без космологічних побудов, розглядаючи гравітацію не як фундаментальну силу, а як емерджентне явище, пов'язане з ентропією і термодинамікою.
Щоправда, перевірити такі концепції, за словами голландського астрофізика Еріка Верлінде, неможливо, а відновити аналоговий процес в лабораторних умовах наразі технологічно дуже складно. М’яко кажучи.
Космологія МОГ і "відскок"
Космологія МОГ все ж таки базується на рівняннях Алєксандра Фрідмана, що використовуються для опису розширення Всесвіту. Модифікована гравітація лише враховує додаткові члени. Зокрема, потенційні члени, пов'язані зі скалярними полями, можуть діяти як темна енергія, навіть без космологічної сталої.
Чисельні розв'язки цих рівнянь показують стрибкоподібну космологію: всесвіт трохи стискається перед плавним переходом до розширення. Така поведінка нагадує методологію Бренса-Діке з певним значенням параметра.
Крім того, МОГ дозволяє тонко налаштовувати різкість стрибка, зберігаючи плавність при дуже високих густинах.
Деякі питання
Тензор, вочевидь, позначає кривизну простору-часу. Коли вчені малюють всесвіт у вигляді ідеально плоского млинця, вони брешуть: матерія завжди має неправильну форму, а тому вона не може бути ідеально побудованою, тобто без врахування внутрішніх та зовнішніх сил, що діють на елементарні частинки.
Інакше кажучи, космологічний світ за моделлю ΛCDM — це спроба впихнути непорушну, “мертву” матерію в простір де Сіттера, простір без фізичних взаємодій. Математично цікаво, але до реальності не має жодного стосунку.
Навіть айнштайнівське "викривлення простору-часу" описує деформацію нескінченно малої кульки пилу під дією приливних/стискаючих сил. Геній німця полягає у тому, що він відмовився від ньютонівської концепції “сила природи” на користь динамічної компоненти простору-часу.
Звісно, ньютонівська гравітація пояснюється з огляду на викривлення простору-часу. Вона спокійно розміщується в парадигму ЗВТ і описує викривлення простору-часу в тому числі на малих швидкостях. Тут релятивістські ефекти на стільки слабкі, що ми їх не помічаємо: фізики спрощують системи відліку, щоб уникнути складної математики.
Але якщо ми розглядаємо більш узагальнені теорії, то вимушені йти математичним шляхом, - не всі члени відповідають фізичним явищам. Хоча всі фізичні явища модифікуються залежно від ступенів свободи абстракції, яку ми беремо за основу.
Як завжди: що рахувати і на що дивитися?
