1919 року під час сонячного затемнення Артур Еддінгтон спостерігав, як світло огинає Сонце, як і передбачала загальна теорія відносності Альберта Ейнштейна.
Теорія відносності та її альтернативи
Теорія відносності, згідно з якою такі масивні об'єкти, як зірки, викривляють навколо себе тканину простору-часу, пройшла жодну точну перевірку. Рідкісний рік обходиться без нового експерименту або спостереження, що підтверджують ЗТВ. Але є одна заковика.
Невидимі субстанції, темна матерія і темна енергія, становлять близько 95% речовини Всесвіту. Робоче припущення полягає в тому, що темна матерія складається з елементарних частинок, що не світяться, а темна енергія - це енергія самого простору.
Але також можливо, що це ілюзії, які виникають через те, що гравітація працює не так, як думав про неї Ейнштейн.
"Ми викликаємо ці загадкові речі, - каже космологиня Селія Ескамілья-Рівера. - Я глибоко переконана, що потрібні альтернативні теорії гравітації".
Ескамілья-Рівера шукає іншу, повнішу теорію. На сьогодні була висунута величезна кількість альтернатив загальній теорії відносності, від "телепаралельної гравітації" до "складної квінтесенції" і "космології від'ємної маси", але вони тривалий час здавалися теоретичними фантазіями. Оскільки космологи не можуть створити експерименти, здатні відрізнити ці теорії від теорії відносності, ідеї перетворилися на пил.
За словами Ескамілльї-Рівери, ситуація починає змінюватися в еру прецизійної космології - царини, одним із піонерів якої вона є. Точна космологія об'єднує великі та різноманітні масиви даних на основі нових статистичних методів і машинного навчання.
"Завдяки цим даним можна відчинити двері та класифікувати всі теорії і сказати, які з них працюють, а які ні", - каже вона.
Пропонуємо інтерв'ю ph.d. Ескамілльї-Рівери, опублікованого у виданні Quantamagazine (зі скороченнями)
Досліджуючи ранній Всесвіт і екстремальне середовище чорних дір, Ескамілья-Рівера зробила висновок, що ми можемо знайти прогалини в загальній теорії відносності, які звільнять місце для чогось іншого. Щоправда, такий підхід не є загальноприйнятим у середовищі космологів.
Загальна теорія відносності і стандартна модель космології, що виросла з неї, так добре працюють. Чому ви вважаєте, що нам потрібно змінити або розширити розуміння гравітації?
Проблема в тому, що ЗТВ не є достатньо загальною теорією. Якщо ви хочете пояснити темну енергію, цю невидиму енергію, яка, здається, прискорює розширення Всесвіту, вам потрібен додатковий компонент у рівнянні, - космологічна постійна. Цей додатковий компонент не існує в природі, і в загальну теорію відносності його додали штучно.
Чи існує теорія, яка природним чином може продемонструвати ефекти темної енергії, не вдаючись до містики? Ось чому я працюю над розширенням теорії або з модифікованими теоріями гравітації.
Крім темної енергії, які ще загадки можуть вирішити ці теорії?
Загальна теорія відносності багато що пояснює в природі, але вона не пояснює, що сталося під час Великого вибуху або що відбувається всередині чорних дір.
Сингулярність чорної діри математично дуже схожа на сингулярність Великого вибуху - це точка, де порушуються всі відомі закони фізики.
Питання полягає в тому, що якщо ми змінимо або розширимо ЗТВ, можливо, ми зможемо пояснити цю химерну точку, яка ламає все.
Загальна теорія відносності також не пояснює майбутнє Всесвіту. Існують цікаві теорії, які стверджують, що Всесвіт знову зруйнується внаслідок чергового Великого вибуху, званого Великою кризою Всесвіту. Але ми цього не знаємо, тому що ЗТВ неповна. Якщо ми знайдемо повнішу теорію, то зможемо отримати відповіді на подібні запитання.
Усі згодні з тим, що для опису чорних дір і Великого вибуху необхідна фундаментальна квантова теорія гравітації. Зазвичай припускають, що квантова гравітація схожа на загальну відносність у всьому іншому Всесвіті. Однак ви вважаєте, що інша теорія працюватиме краще. Чи можете ви навести приклад того, чим модифіковані теорії відрізняються від загальної відносності?
Існують скалярно-тензорні теорії. Вони більш загальні, ніж загальна теорія відносності. Чому? Ну, ЗТВ описує простір-час за допомогою математичного об'єкта, званого тензором.
У скалярно-тензорних теоріях також є об'єкти, звані скалярами. Скаляр може бути чимось фізичним, наприклад, масою або енергією, і він пронизує весь простір-час.
Отже, він поводиться приблизно так само, як космологічна постійна в загальній теорії відносності?
Саме так. За винятком того, що в скалярно-тензорну теорію ви нічого не додаєте, це випливає з математики.
Утім, це не єдина альтернатива. У 1980-х роках стався вибух модифікованих теорій гравітації. Математично вони дуже багаті, але за такої кількості теорій ми обмежені експериментами і не в змозі відрізнити їх одна від одної.
Саме це привело вас у прецизійну космологію?
Коли я отримала докторський ступінь, 2014-й став роком прецизійної космології в Європі. Десять років тому стандартним методом було взяти телескоп і провести спостереження; потім на основі отриманих даних перевірити свою теорію. Зараз у нас багато телескопів, які збирають дані різних типів із різних куточків Всесвіту. За допомогою машинного навчання, нейронних мереж і суперкомп'ютерів ми їх і обробляємо. Що робить перевірку теорії більш насиченою.
Я була першою, хто опублікував роботу, де використовувалося машинне навчання для вивчення темної енергії в космологічних моделях. Архітектура машинного навчання тепер може навіть розглядати великі набори космологічних даних і виводити теорію гравітації. Це нова ера.
Ще один новий спосіб перевірити альтернативні теорії - провести моделювання на суперкомп'ютері. Ви можете керувати своїм власним всесвітом і робити прогнози про те, яка теорія працює.
Коли, на вашу думку, спостереження почнуть розходитися із загальною теорією відносності?
Ми близькі до цього. Я впевнена, що нещодавно запущений космічний телескоп "Джеймс Вебб" відкриє нові двері, які наблизять нас до походження Всесвіту. Ми побачимо епоху, коли водень і гелій зливаються, утворюючи перші галактики. Я підозрюю, що в цьому випадку загальна теорія відносності не працюватиме, тому що енергія дуже висока.
На яку альтернативну теорію ви б поставили свої гроші?
Я б поставила на телепаралельну гравітацію.
Чим вона відрізняється від загальної теорії відносності?
В ЗТВ важливим поняттям є кривизна простору-часу, яка говорить про розподіл матерії. Ви можете уявити Сонце як велику масу, яку кладуть на аркуш, потім цей аркуш починає викривлятися.
Ейнштейн зробив зв'язок між матерією та геометрією основою Всесвіту. В умовах же телепаралельної гравітації Сонце формує щось схоже на торнадо. Тому замість кривизни лист скручується. Це називається крученням.
Телепаралельна гравітація насправді виходить із розрахунків Ейнштейна наприкінці його життя. Люди вже створювали нову математику, використовуючи кручення. Ейнштейн побачив спосіб пов'язати свою теорію, загальну теорію відносності, з іншою дуже важливою силою, електромагнетизмом. На жаль, він не домігся успіху, і його ідея стала забуватися.
Але деякі теоретики продовжували працювати над нею. Лише кілька років тому Джексон Леві Саїд із Мальтійського університету виявив, що можна перетворити мову телепаралельної гравітації на космологію - набір рівнянь, що пов'язують усі параметри, які ми спостерігаємо в природі, наприклад, щільність матерії.
Ми можемо пов'язати цю космологічну модель з експериментами. Ми виявили, що рівняння відповідають даним без посилання на темну матерію або темну енергію.
Які існують докази телепаралельної гравітації?
З математичної точки зору це дуже елегантно. Але у нас поки що немає експериментів, які доводять теорію, тому що на локальному рівні телепаралельна гравітація дуже, дуже схожа на загальну відносність. Відмінності спостерігаються на прикладі раннього Всесвіту і в його далекому майбутньому.
Спостереження раннього Всесвіту за допомогою апарата "Джеймс Вебб" стануть першими випробуваннями телепаралельної гравітації. Якщо ми зможемо пояснити утворення перших галактик краще, ніж за допомогою ЗТВ, це буде прекрасним тестом. Можливо, телепаралельна гравітація також зможе пояснити те, що ми бачимо на фотографіях чорної діри.
Ви маєте на увазі недавні фотографії надмасивної чорної діри в галактиці M87, зроблені телескопом Event Horizon Telescope. Що загадкового в цих фотографіях?
На одній з фотографій показані магнітні поля навколо чорної діри. Усі лінії поля слідують одному і тому ж потоку; це дуже елегантно. За цими лініями магнітного поля можна побічно зрозуміти, що відбувається всередині чорної діри. Вона поглинає матерію, яка знаходиться поруч з нею, тому частина матерії знаходиться всередині горизонту подій, а частина - зовні, і така взаємодія викликає магнітне поле. Ці магнітні поля - найскладніша частина для розуміння.
Одна з груп у рамках проєкту "Горизонт подій" шукає рішення в загальній теорії відносності. Але інша група, до якої входжу і я, йде іншим шляхом, модифікуючи і розширюючи теорію гравітації.
Проблема в тому, що для розрізнення цих можливостей нам потрібно більше даних. Зараз ідея полягає в тому, щоб зняти фільм про чорну діру, щоб побачити її еволюцію.
Можливо, це дасть нам більше обмежень для теорій, які ми хочемо перевірити.
Коли ви були дитиною, чи уявляли ви, що врешті-решт кинете виклик Ейнштейну?
Кинути виклик Ейнштейну? Можливо! Я думаю, це мрія будь-якої дитини, яка хоче зрозуміти космос.
