Рівняння Ейнштейна витримали перевірку впродовж понад століття. За останні 30 років було проведено експерименти, які підтвердили базові положення ЗТВ. Але ці ж експерименти продемонстрували деякі прогалини в наших знаннях.
Зокрема, фізики все ще задаються питанням: якою мірою теорія Ейнштейна "кінцева" у своїх постулатах? Чи не зіткнемося ми з тією самою долею, що й закони Ньютона?
Поняття "гравітації" в інтерпретації великого вченого "пройшло" всі випробування, проте ніхто не знає напевно, чи може бути застосована теорія до будь-яких зірок, чи працює вона універсально щодо всіх спостережуваних явищ і астрономічних об'єктів. Інакше кажучи, немає жодної гарантії, що ЗТВ працює на всьому протязі космосу. І якщо так, то не дивно, що за цей проміжок часу запропоновано безліч конкуруючих теорій, які не завжди виправдані й експериментально перевіряються.
Власне кажучи, тут криється головна проблема: чи маємо ми достатні знання, необхідний рівень розвитку технологій, щоб довести альтернативну теорію? І якщо справді виникне потреба теоретичної модифікації, чи зможемо ми її провести без академічних втрат, у рамках офіційної, кафедральної науки?
Після того, як Ейнштейн запропонував свою нову теорію, її ігнорували протягом кількох десятиліть. Тільки в другій половині 20-го століття загальна теорія відносності була визнана теорією, що пояснює всесвіт. Її рівняння описують розширення матеріального простору від Великого Вибуху, від стану гарячої точки з ексклюзивною густиною розміром із протон до сучасного стану швидкого прискореного розширення. За умови історичності самого "біг-буму" і факту розширення, що є всього лише гіпотезою, яку не можна принципово довести або спростувати. Ніхто ж не повторить Великий Вибух у принципі.
Так, сьогодні ЗТВ завоювала дедалі більшу популярність, оскільки вчені підтвердили її більш екзотичні прогнози, включно з чорними дірами і вібраціями в просторі, відомими як гравітаційні хвилі. Але все це - за умови існування black holes і вібрацій як таких. Проблему вимірювань та інтерпретації отриманих результатів ніхто ж не знімав з порядку денного.
Як і того, що наше бачення всесвіту визначається вихідними теоретичними положеннями та електромагнітними приладами, які фіксують тільки частину процесів, що відбуваються в навколишньому світі. І немає жодної гарантії істинності розрахунків, від початку непрямих і встановлених на непрямих даних унаслідок певної інтерпретації базової теорії. Ми змушені домовлятися і приймати щось на віру, - інакше у нас не буде вихідної "точки відліку". Ні в прикладному, ні в логічному сенсах. Це називається аксіоматикою.
Тому ми змушені констатувати той факт, що ЗТВ досить добре описує тільки спостережуваний всесвіт.
Такий опис включає в себе величезну кількість невидимої маси, відомої як темна матерія, поряд зі своєрідною силою відштовхування, званою темною енергією, яка нібито пронизує весь простір. Але існування таких "темних речей" виводиться з припущення, що загальна теорія відносності правильна. Або логіка навпаки: темна енергія і темна матерія фізично необхідні, щоб визнати ЗТВ "істинною" теорією. В іншому разі вона не спрацьовує.
Інакше кажучи, не існує ні темної матерії, ні тим більше темної енергії, які суть той самий ефір. Якщо це так, то очевидного доказу космологічної теорії гравітації немає, а сама її модель (річ у філософському і фізичному сенсах) відрізняється від розуміння імені Ейнштейна. А отже, нинішня картина світу має бути радикально перемальована.
Проте фізики переконані в непогрішності ЗТВ. По-перше, розв'язується складна проблема, яка спантеличила астрономів, які досліджують Меркурій: невідповідність орбіти прогнозу ньютонівської гравітації. Ейнштейн фактично пояснив спостережуваний парадокс.
Ключем розгадки таємниці Меркурія стало розуміння гравітації як геометричної проекції простору (або технічно простору-часу, оскільки в ранніх роботах простір і час нероздільні). За Ейнштейном, гравітація - це не взаємне розтягування масивних об'єктів, а результат спотворення масою простору-часу, що її оточує. Об'єкти обертаються або падають у масивне тіло залежно від того, наскільки сильно викривлений простір-час навколо нього. Замість того, щоб реагувати на якусь силу тяжіння, маси просто слідують контурам геометрії простору-часу.
Гравітація як геометрія призвела до відомого передбачення, підтвердженого під час спостереження затемнення 1919 року. Ейнштейн вказав на те, що для земного спостерігача викривлення простору-часу поблизу Сонця викликатиме "вигин" світла від далеких зірок.
У 1919 році команда астрофізика Еддінгтона виявила, що положення кількох зірок були зміщені тільки на величину, зазначену математикою Ейнштейна. Ньютонівська версія теорії гравітації не спрацювала. Коли оголосили результати вимірювань у листопаді 1919 року, настала черга перезапуску всієї попередньої "філософії всесвіту".
За минуле століття гравітація Ейнштейна пройшла безліч додаткових випробувань, таких, як виявлення гравітаційних хвиль у 2016 році. Але все ж неможливо перевірити теорію, яка оперує космологічними масштабами. Або в умовах надзвичайно високої щільності маси. Парадокс: існування "чорних дір" необхідне для доказів ЗТВ, але пропоновані рівняння не мають сенсу, оскільки мають оперувати "нескінченною" густиною речовини.
Жартуючи, подорож у внутрішню частину чорної діри для перевірки ЗТВ - погана стратегія. Що не заперечує інших можливостей досліджувати сфери досить сильної гравітації, зокрема за допомогою мережі телескопів.
Тоді всі одержувані дані відносяться виключно до області горизонту подій. Все інше - лише математична модель, припущення про припущення за умови правильності вихідної теоретичної бази. В астрофізиці це називається "істина".
Гравітаційні хвилі в такій версії можуть також з'являтися в екстремальних умовах, наприклад, під час зіткнення двох чорних дір. Аналіз просторово-часових пульсацій, що виникають унаслідок таких зіткнень, продемонструє працездатність усієї теорії (за умови, що ми правильно витлумачимо зафіксовані ефекти).
Якщо загальна теорія відносності зазнає невдачі, безліч конкуруючих теорій гравітації, запропонованих в останні десятиліття, актуалізуються миттєво.
Більшість із них зводяться до додавання нової фізичної сили в природний репертуар гравітації, електромагнетизму, сильних і слабких ядерних сил. Крім гравітації, три інші відомі сили точно описуються "стандартною моделлю", набором рівнянь, які підкоряються вимогам квантової механіки. Однак ЗТВ не враховує квантової математики, тому вже давно ведуться серйозні дослідження з розроблення теорії, що об'єднує гравітацію і мікросвіт.
Більшість експертів вважають, що така об'єднавча теорія потягне за собою якусь модифікацію загальної теорії відносності.
Одним зі способів модифікації - поява нового енергетичного поля, що пронизує простір. Сила такого поля в різних місцях може змінити передбачення щодо поведінки матерії. Фізика тією чи іншою мірою залишається в парадигмі ефіру. За минулі 2500 років у цьому плані нічого не сталося. Ми тупцюємо на одному місці.
Деякі теоретики запропонували додаткове джерело деформації простору-часу - новий шар геометрії, вважаючи його більш плідним підходом. Є інші пропозиції, такі, як теорія суперструн, але все зводиться до додавання п'ятої сили, читай, ефіру. У кращому разі ми маємо справу з оккамівською пасткою, вигадуючи нові сутності, але не розуміючи технологічної обмеженості наших вимірювань.
Поки що тести, які шукають ознаки нової п'ятої сили, нічого не дали. Вони були проведені у відносно невеликих масштабах (порівняно зі всесвітом загалом). Можливо, у цих тестах переважає розуміння "класичної" теорії відносності, тому що інші фізичні ефекти маскують або екранують відхилення, які, ймовірно, викликає п'ята сила. Замірів у великих масштабах провести дуже складно, незрозуміла ще й методологія обробки отриманих результатів.
Інший принцип загальної теорії відносності, що перевіряється, - це вимога поширення гравітації зі швидкістю світла. Передбачається, що гравітаційні хвилі дали можливість спостерігати злиття двох нейтронних зірок у 2017 році.
Відомо, що рентгенівське і гамма-випромінювання рухаються з однаковою швидкістю. Водночас швидкості електромагнітних і гравітаційних хвиль також сумірні (в межах квадрильйона км), що виключає багато альтернативних теорій, які передбачали відмінність між цими явищами.
Водночас у деяких моделях квантової гравітації швидкість світла та швидкість гравітації залежить від енергії або частоти хвиль чи частинок, що призводить до явища, яке називається дисперсією.
Дисперсія означає, що різні компоненти хвилі або частинки рухаються з різною швидкістю, викликаючи спотворення або затримку сигналу. Таким чином порушується принцип інваріантності Лоренца, - закони фізики однакові для всіх спостерігачів, які рухаються з постійними швидкостями.
Очікується, що дисперсійні ефекти замалі й не досяжні для сучасних експериментів. Однак вони можуть бути значними на ранніх стадіях розвитку Всесвіту, коли енергія і викривлення простору-часу “зашкалювали”.
Також можливо, що вони впливали на інфляційну епоху - короткий період експоненціального розширення, який, як вважають, стався незабаром після Великого вибуху, і який відповідає за виникнення великомасштабної структури і космічного мікрохвильового фонового випромінювання.
Відповідно, інфляція зумовлена скалярним полем, діє як джерело від'ємного тиску і спричиняє швидке розтягування простору-часу. За такою логікою поле інфляції коливається квантово-механічно, а флуктуації посилюються розширенням і формують варіації густини й температури, щоі ми спостерігаємо у сучасному Всесвіті.
Якби дисперсійні ефекти були присутні під час інфляції, вони б змінили спектр і статистику флуктуацій інфляції, а отже, властивості космічного мікрохвильового фонового випромінювання і великомасштабної структури.
- Сценарій 1: відхилення від масштабної інваріантності спектра;
- Сценарій 2: відхилення від гауссовості статистики.
Такі відхилення залежали б від деталей моделі квантової гравітації і могли б забезпечити спосіб тестування та обмеження різних сценаріїв квантової гравітації.
Однак початкові умови поля інфляції залежать від механізму припинення інфляції. Тому інтерпретація даних спостережень вимагає ретельного аналізу різних ефектів і припущень, пов'язаних з ними.
Основна проблема для фізиків полягає в тому, що інших, крім електромагнітних, приладів, у них немає. А на скільки адекватним є наше "хвильове" сприйняття дійсності - питання філософське. Адже ми дальтоніки і напівсліпі за великим рахунком...
