Физики-теоретики предложили способ проверить на практике правильность модели, которая объясняет ускоренное расширение Вселенной массивными гравитонами (гипотетическими квантами гравитации). При этом, как утверждает автор теории, можно использовать сравнительно доступные экспериментаторам методы. Подробности приводит Nature news.

Модель, предложенная Клаудией деРам и соавторами в 2010 году, объясняет то, почему Вселенная расширяется с ускорением и почему это ускорение на много порядков ниже той величины, которую предсказывает квантовая теория поля. О том, что Вселенная расширяется с ускорением (то есть со временем это происходит все быстрее) ученые знают из астрономических наблюдений и для объяснения этого факта было предложено понятие темной энергии: сущности, которую физики-теоретики связывают со свойством пространства как такового. Темная энергия (в наиболее распространенной и признанной космологической модели) может быть представлена как энергия, заключенная в вакууме: ее нельзя оттуда извлечь, но она проявляет себя в масштабах Вселенной.

Проблемы, связанные с темной энергией не исчерпываются тем, что ее природа не очень понятна. Одна из главных проблем современной физики связана с тем, что астрономические данные катастрофически расходятся с теоретическими расчетами, причем «катастрофически» в данном случае не просто эпитет: эту проблему сами ученые называют вакуумной катастрофой.

В квантовой теории поля пустое пространство, вакуум, тоже имеет энергию, причем расчеты показывают очень высокую плотность этой энергии. Разница между квантовыми предсказаниями и теми оценками, которые следуют из астрономических наблюдений, превышает сто порядков и окончательного объяснения этому «худшему в истории физики расхождению теории с опытом» (оценка Ли Смолина, ведущего физика-теоретика и специалиста по теории струн наших дней) пока ни у кого нет.

Теории, которые так или иначе разрешают противоречия, связанные с энергией вакуума, существуют. Но большую их часть нельзя проверить либо из-за технических ограничений (у ученых нет достаточно мощных ускорителей частиц и в обозримом будущем они не появятся), либо в силу принципиальных причин (сама теория дает слишком нечеткие предсказания). Большие надежды многие физики возлагают на теории струн, где точечные частицы заменены на струны конечной длины в многомерном пространстве, однако именно к струнным теориям больше всего претензий по поводу размытости их предсказаний. Существует очень много возможных вариантов струн в пространствах с разной размерностью и разной геометрией тех фигур (математики говорят «многообразий»), на которые эти струны наматываются, поэтому при желании всегда можно найти несколько вариантов струнного мира, которые все будут походить на реальную Вселенную. Теории, из которых нельзя выбрать правильные, в строгом смысле слова даже нельзя назвать научными: они не удовлетворяют критерию фальсифицируемости.

Рис. 1. Развитие космологии, 1918–1924. (Фото: NASA). Если не углубляться в историю и не вспоминать модели Птоломея и Коперника, то современная космология началась около ста лет назад. В 1918 году было установлено, что расстояние до галактики (тогда еще «туманности») Андромеды слишком велико, чтобы эту «туманность» можно было счесть частью Млечного пути. В 1924 году эти измерения повторили несколько групп астрономов и существование галактик стало признанным фактом.

Рис. 2. В 1919 году астрономы наблюдают полное солнечное затмение (на фото показан негатив сделанного тогда снимка) и обнаруживают предсказанное незадолго до этого Эйнштейном отклонение света гравитационным полем. В физике утверждается общая теория относительности.

Рис. 3. Александр Фридман, русский астроном, который нашел решения уравнений Эйнштейна и предсказал теоретически расширение Вселенной. Позже его расчеты были подтверждены наблюдениями, однако Фридман до этого момента не дожил: в 1925 году в возрасте 37 лет он умер от брюшного тифа.

Рис. 4. Эдвин Хаббл, американский астроном. В 1929 году подтвердил предсказанное Фридманом расширение Вселенной, проанализировав спектры звезд в других галактиках и обнаружив красное смещение, сдвиг спектральных линий за счет движения источника света в сторону от наблюдателя.

Рис. 5. Георгий Гамов, уехавший в США в 1933 году русский физик. В 1948 году опубликовал работу, в которой предложил концепцию Большого Взрыва в близком к современному виде. Из этой работы следовало существование реликтового излучения.

Рис. 6. Микроволновая антенна, при помощи которой в 1964 году Арно Пензиас и Роберт Вильсон обнаружили реликтовое излучение. До этого излучение, возникшее в момент Большого Взрыва, было описано в ряде теоретических работ, а некоторые астрономы, включая Тиграна Шмаонова в Пулковской обсерватории, даже наблюдали его – но не могли правильно интерпретировать.

Рис. 7. Развитие космологии, 1998. Фото: NASA/MPIA/Calar Alto Observatory, Oliver Krause et al.

На сайте физического факультета университета Иллинойса энергия вакуума объясняется через такую аналогию: предположим, что у нас есть пружинка с подвешенным на ней грузом. Если груз находится в том положении, когда пружина не сжата, а груз покоится, полная энергия системы равна нулю: по законам классической механики. Однако в квантовой механике мы не можем одновременно определить положение грузика и его скорость. Из этого следует то, что раз мы точно знаем координату, то мы не можем знать его скорость, которая может оказаться равна чему угодно. Таким образом мы не знаем либо потенциальную, либо кинетическую энергию, поэтому всегда остается какая-то суммарная неопределенность. Многие квантовые системы и даже сам вакуум ведут себя точно так же. В вакууме возникают так называемые виртуальные поля, однако их энергией нельзя воспользоваться.

В 2010 году Клаудиа де Рам (Claudia de Rham) из Западного резервного университета Кейза (США) вместе с коллегами выдвинула предположение о том, что тёмная энергия всё же может быть нулевой энергией вакуума, но при одном важном допущении: основная часть разрыва между энергией вакуума и тёмной должна компенсироваться гипотетическим гравитоном.

Переносящий гравитационное взаимодействие гравитон может сыграть такую роль лишь при одном условии: в отличие от носителей электромагнитного взаимодействия, фотонов, такая частица должна быть не безмассовой, а иметь хотя бы малую, но всё же массу покоя, как переносчик слабого ядерного взаимодействия.

В большинстве других теорий гравитон лишен массы по аналогии с фотоном, но еще с 1960-х годов ученые по всему миру разрабатывают и модели с массивными гравитонами.

Чтобы наличие у гравитона массы совпадало с наблюдаемыми астрономическим фактами, она должна быть в районе 10^–33 электронвольт, то есть в огромное количество раз меньше, чем даже у маломассивного нейтрино.

Итак, масса гравитона должна приводить к компенсации основной части нулевой энергии вакуума, оставляя «непогашенной» лишь ту часть, которую мы и называем тёмной энергией.

Когда теория только появилась, она вызвала немалое оживление в физическом сообществе: кандидатов в тёмную энергию, да ещё физически непротиворечивых, поначалу было мало. А тут ещё можно обойтись без добавления неизвестных современной физике явлений — за исключением массы гравитона, конечно. Это было самое минималистское из решений загадки тёмной энергии.

Теоретиков не смущает то, что в экспериментах пока что не зафиксирован не только сам гравитон (хоть с массой, хоть без нее), но и гравитационные волны, предсказанные еще общей теорией относительности, ОТО. В пользу ОТО говорят многие другие факты (например, гравитационные линзы), а квантовую механику все равно надо объединять с ОТО тем или иным образом. Соответственно, концепция квантов поля, на которой построены хорошо проверенные теории электромагнитного, сильного и слабого полей, является вполне логичной для развития и в сторону гравитации. Любое поле в квантовой теории может быть представлено как набор квантов, кванты испускаются и поглощаются частицами и за счет обмена квантами частицы взаимодействуют между собой или даже превращаются друг в друга (слабое поле может превращать нейтрон в протон, электрон и антинейтрино за счет изменения одного из трех кварков). Масса квантов, в свою очередь, накладывает ограничения на радиус действия поля, поэтому масса гравитонов во всех теориях очень мала и на 33 порядка меньше массы нейтрино.

Рис. 8. Хотя гравитон не обнаружен, многие физики считают, что он существует. У других фундаментальных взаимодействий есть свои носители, те же фотоны для электромагнетизма, и, строго говоря, не очень понятно, почему их не должно быть у гравитации. (Здесь и ниже иллюстрации NASA.)

Но идею едва не убили в колыбели. Физики начали копаться в концепции и — что неизбежно — нашли в ней кучу подвохов. Например, из теории, согласно одной группе критиков, вытекало существование «дýхов». Мы уже описывали вкратце эту проблему: в такой теории возникают поля с «отрицательной энергией». Как только появляется нечто подобное, поскольку некая доля частиц системы обладает положительной энергией, а другая доля — отрицательной, закон сохранения энергии не запрещает процессов неограниченного рождения частиц как того, так и другого знака энергии. Но разве мы видим, как всё появляется из ничего (не говоря уже о том, что жить в таком мире было бы небезопасно)? Из духов же следует и возможность появления «отрицательной вероятности». Не знаете, что это такое? Что ж, вы в хорошей компании, поскольку учёные тоже не знают.

Клаудиа де Рам объясняет: «Потому-то мы и зовем их «духами»: уж очень они пугающие и разрушают любую теорию, в которой присутствуют». Она права: если и не разрушают, то делают проживание в мире такой теории мероприятием для совершенно бесстрашных людей. Правда, здесь надо добавить, что недавняя работа Сергея Александрова из Университета Монпелье II (Франция) ставит под сомнение реальность проблемы духов для массивного гравитона.

Естественно, были попытки обосновать теоретически массивный гравитон без духов и происходящих от них неприятностей. В 2011 году появилась гипотеза о том, что есть два гравитона: один — с массой, а другой — без. Всё бы ничего, но в таком варианте Вселенная должна состоять из двух перекрывающихся видов взаимодействующих «тканей» пространства-времени. Как вы догадываетесь, нельзя сказать, чтобы такой сценарий сильно упрощал дело.

На встрече Космологического сообщества в Кембридже (Великобритания) на прошлой неделе несколько специалистов, включая ту же г-жу деРам, независимо представили серию моделей, где взаимодействие двух видов «ткани» (из которых состоит Вселенная) естественным образом заставляет пространство-время расширяться с ускорением, обеспечивая тот самый эффект тёмной энергии, наблюдаемый астрономами. При этом в альтернативных механизмах, типа той же нулевой энергии вакуума, вообще нет нужды: взаимодействие двух «тканей» делает их излишними.

Хорошо бы это «пощупать», восклицают физики, и для этого нужно сделать предсказания, проверка которых покажет, массивен гравитон или нет. В Солнечной системе такой эксперимент уже планируется: теория массивного гравитона предсказывает, что гравитационное поле между Землёй и Луной должно слегка отличаться от предсказаний текущей физики. Из-за этого прецессия лунной орбиты должна измениться примерно на одну триллионную — мало, но вполне достаточно для фиксации .

Точнее, почти достаточно: сейчас земные лазеры, отражающиеся от зеркал, оставленных на Луне, позволяют замерить такую прецессию (определяя расстояние между Землёй и спутником по времени прохождения луча) с точностью до одной 100-миллиардной. Дальнейшее даже небольшое улучшение лазерной техники, используемой для этих целей, или точности применяемых часов вполне позволит протестировать концепцию на практике.

Рис. 9. Проверить идею о наличии массы у гравитона возможно: берёте лазер, стреляете им в зеркальце на Луне (справа), луч возвращается обратно (слева), измеряете время и получаете расстояние, которое слегка колеблется, благо Луна то ближе, то дальше. Правда, точность измерений дистанции (пока лишь до сантиметров) придётся увеличить раз в десять.

По мнению другого исследователя, Марка Уаймана,

теория деРам позволяет разрешить проблему темной энергии наиболее изящным путем, без добавления экзотических частиц, множества скрытых измерений или других сущностей, требующих радикального пересмотра наших представлений о Вселенной.

Обсуждением теории деРам велось на протяжении нескольких лет и за это время физикам удалось показать то, что она лишена внутренних изъянов: в этой теории не возникает физически невозможных полей, появление которых сразу бы вывело модель из рассмотрения.

А вот Вячеслав Муханов, космолог из Мюнхенского университета Людвига — Максимилиана (Германия), известный вам по предсказанию в 1980-х анизотропности реликтового излучения, настроен скептически. Учёный поясняет: если вначале он рассматривал массивный гравитон как привлекательную теорию, просто и элегантно решавшую загадку тёмной материи, то добавление в неё нового пространства-времени и ещё одного гравитона без массы делает идею чересчур натянутой. «Думаю, что проблема тёмной энергии потребует более элегантного решения», — говорит г-н Муханов. Прямо скажем, мнение исключительной важности, ибо принадлежит человеку, предсказавшему очень многое в современной космологии.

С другой стороны, аргументируют сторонники массивного гравитона-2, элегантность — дело вкуса. Если теория покажет себя достоверной в части предсказаний гравитационных полей в реальном мире, она, бесспорно, привлечёт массу сторонников. Или же, напротив, лишится малейших оснований.

Какой бы их этих вариантов ни реализовался на практике, случится это, по всей видимости, уже в ближайшие месяцы.