Рубежи науки

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?

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.

Популярность Луны: Индийская организация космических исследований на этой неделе посадила космический корабль вблизи южного полюса Луны , всего через несколько часов запустив марсоход "Чандраян-3". Все научные приборы посадочного модуля и марсохода были активированы, и миссия приступит к изучению минерального состава Луны, атмосферы и сейсмической активности. Примечательно, что российский космический аппарат "Луна-25", направлявшийся в тот же лунный регион, вышел из-под контроля и разбился о поверхность всего несколькими днями ранее.

Обычные люди: Существует давний консенсус в отношении того, что скачок подросткового роста - это черта, присущая только людям. "Да, мы особенные, давайте закроем книгу на этом", - сказали биологи, захлопнув ее с шлейфом пыли, которая осела на всех методологических ошибках, с помощью которых они пришли к такому выводу.

Совместная работа нескольких учреждений недавно устранила все эти проблемы с масштабированием и некорректными сравнениями между длиной тела и весом, разработав новый метод с поправкой на масштаб. Они применили его к набору данных из 258 бонобо (слоган: "Бонобо: похожи на шимпанзе, но приятнее") и обнаружили отчетливые скачки роста массы и длины тела у обоих полов, соответствующие гормональным изменениям, подобным тем, которые наблюдаются у человеческих подростков. Данные по другим видам приматов также выявили резкий рост подростков и гормональные изменения.

Ну и что теперь, люди, как вы можете выделяться среди всех остальных приматов? Может быть, носить маленький щегольской берет или что-то в этом роде.

Загадочный котенок: Исследователи из Университета штата Северная Каролина, изучающие внутреннюю анатомию вымершего саблезубого тигра, задались важным вопросом: говорил ли котенок "мяу"? Более конкретно, они стремились определить с помощью ограниченных имеющихся свидетельств окаменелостей, издавали ли саблезубы "могучий рев" или "гортанное мурлыканье". Или (возможно) просто произнес слово "мяу" с сильным британским акцентом. Мы просто не знаем!

Есть две группы современных кошек: кошачьи семейства кошачьих, включая рысей, оцелотов и домашних кошек , которые мурлыкают; и кошачьи семейства пантерных, включая львов и тигров, которые рычат.

Исследователи сравнили строение гортани саблезубых и их подъязычных костей, которые скрепляют мягкие ткани гортани, с таковыми у современных групп, и пришли к научному выводу — просто недостаточно доказательств, чтобы определить, повлияло ли на вокализацию вымершей кошки больше количество подъязычных костей или структура гортани, и, следовательно, мурлыкала она или рычала. Они также сообщают, что данные окаменелостей неубедительны относительно того, использовали ли саблезубы свои очаровательные лапки, чтобы раскачивать предметы на выступе, пока они не падали на пол.

Очаровательные собаки: Что происходит в мозгу собаки? Для эгоцентричных людей лучшим вопросом могло бы быть: "что происходит в мозгу собаки, когда люди разговаривают с ними?" Ученые из Университета Этвеша Лоранда в Венгрии провели исследование fMRI , которое показало, что собаки проявляют большую чувствительность к обращенной к ней речи, чем к речи взрослых, особенно когда они слышат голос женщины.

Исследователи установили связь между чувствительными нервными реакциями младенцев и собак не только на речь, но и на особый стиль речи — преувеличенную просодию, знакомую каждому, кто когда-либо слышал, как владелец собаки говорит: "Кто хороший мальчик? Кто хочет потереть живот? У кого большой старый живот?" И младенцам, и собакам не только легче воспринимать высокую просодию, но и те и другие особенно настроены на преувеличенную просодию в человеческих женских голосах.

Разоблаченные фотоны: Эта история на самом деле не имеет ничего общего с собаками или кошками. Итак, в качестве продолжения жестокого, знаменитого мысленного эксперимента, представьте, что у вас есть две запутанные кошки Шредингера. В тот момент, когда вы определяете, жив один из них или мертв, вы мгновенно распознаете состояние его запутавшегося партнера. Это известно как коллапс волновой функции, и знание состояния двух запутанных частиц является ключом к достижениям в таких областях, как квантовые вычисления.

В предыдущем эксперименте исследователи из Университета Оттавы использовали процесс проективного измерения для характеристики многомерного состояния двух запутанных фотонов. Метод требовал нескольких дней для получения результата и сложной экспериментальной установки, которая была очень чувствительна к шуму. Результатом было, по сути, 2D-представление, из которого исследователи должны были вывести 3D-состояние системы. Как сказал бы раздраженный мужчина средних лет в рекламном ролике 1990-х годов прямо в камеру: "Должен быть способ получше!"