Идеальная теория. Битва за общую теорию относительности - Педро Феррейра

Один из пленарных докладов прочитал Джим Пиблс. Это мероприятие стало своего рода прославлением идей Пиблса и последствий, к которым они нас привели. Все открытия предыдущих лет тем или иным образом были обусловлены областью, которую основал Пиблс вместе с другими учеными. Но он был убежденным противником массовых течений, даже основанных им самим. В своем докладе он попытался обуздать истерию, спросив, зачем нам требуются точные измерения Вселенной. И сам ответил: для проверки наших предположений. Он рассмотрел все аспекты модели Большого взрыва. Почему сначала температура была высокой? Откуда взялась крупномасштабная структура? Как сформировались галактики? В середине доклада он указал на некий очевидный факт. Как было позднее написано в материалах ассамблеи: «Элегантная логика общей теории относительности и проверка ее точности позволяют рекомендовать ее как предпочтительную рабочую модель для космологии». Однако Пиблс предупредил, что, возможно, космологам не нужно спешить с выводами. В масштабе Солнечной системы общая теория относительности работала с максимальной точностью — прекрасным примером была прецессия Меркурия, — но мы не имеем представления, можно ли обеспечить тот же самый уровень точности в масштабе Вселенной. По его словам, в данном случае имела место «показная экстраполяция». Пиблс был прав, хотя по большому счету, участники ассамблеи не смогли воспринять значение его утверждения.

Французский астроном Леверье увлеченно доказывал, что для корректного объяснения прецессии орбиты Меркурия должна существовать новая, еще не открытая планета Вулкан, находящаяся в центре Солнечной системы. Вера в ньютоновскую гравитацию заставила его предсказать существование нового, странного и невидимого объекта. Без Вулкана ньютоновская модель не работала. Разумеется, выяснилось, что Леверье был не прав. Однако для корректировки модели потребовалась не новая планета, а новая теория гравитации.

Сейчас, в начале XXI века, мы оказались в похожей ситуации. У нас есть прекрасная теория гравитации, которая для объяснения космологических данных требует, чтобы более 96% Вселенной состояло из невидимой и нераспознаваемой нами субстанции. Может быть, это еще одна трещина в здании, возведенном Эйнштейном почти сто лет назад? Возможно, его теорию следует скорректировать с учетом принятой без лишней суеты квантовой физики. Но проверка общей теории относительности в крупном масштабе имеет свои особенности. Если убрать из картины темную материю и темную энергию, красивую теорию Эйнштейна придется пересматривать. Эту перспективу многие астрофизики воспринимают как применение кувалды, чтобы загнать машину в гараж.

Израильский релятивист Яаков Бекенштейн начал задумываться о модификации теории Эйнштейна еще в начале 1970-х, будучи аспирантом Джона Уиллера в Принстоне. В процессе размышлений об энтропии и черных дырах его крайне заинтересовали общая теория относительности и альтернативная теория, предложенная Дираком. «В какой-то момент, — сказал он, — я почувствовал, что не понимаю, почему некоторые вещи в общей теории относительности делаются определенным образом, почему важны некоторые аспекты, почему нужно следовать линии, задаваемой этой теорией. Мне показалось, что следует сопоставить ее с другими направлениями».

Из «других направлений» Бекенштейн выбрал предложенное в 1980-х годах его соотечественником, израильским астрофизиком Мордехаем Милгромом. Идея Милгрома состояла в совершенно новом взгляде на поведение гравитации в галактиках. Он указал, что свидетельства наличия темной материи при вращении галактик проявлялись только в случае очень слабой гравитационной силы. И действительно, если ньютоновская гравитация применяется в режиме экстремально слабых взаимодействий, имеет смысл ввести в рассмотрение невидимую материю, усиливающую гравитационное притяжение. Но стоит ли в такой ситуации вообще применять законы Ньютона? Милгром сделал смелое предположение, что звезды на внешнем крае галактики должны быть более тяжелыми, а значит, из центра галактики на них действует намного более сильное притяжение, чем думали изначально. И благодаря этому более сильному притяжению звезды могут двигаться с большей скоростью. Это объясняет наблюдения Веры Рубин и других астрономов, обнаруживших, что внешние части галактик движутся вокруг своих центров со скоростями, превосходящими ожидаемые. Новую теорию Милгром назвал модифицированной ньютоновской динамикой (Modifi ed Newtonian Dynamics, MOND).

Многие астрофизики сочли, что Милгром в своей модификации гравитации зашел слишком далеко. У теории не было основополагающего принципа, она относилась не к обоснованным гипотезам, а скорее к фантазиям. Бекенштейн говорил, что во время описания этой идеи в 1982 году на конференции Международного астрономического союза «некоторые смотрели на меня так, как будто я признался, что видел НЛО… Практически все считали ввод в рассмотрение темной материи важным и выступали за него». В течение следующих двух десятилетий подавляющее большинство астрофизиков и релятивистов игнорировало идею Милгрома или пыталось ее опровергнуть. Время от времени появлялись статьи, в которых закон Милгрома применялся к разным астрофизическим ситуациям и демонстрировалось, что он не работает. Зачастую эти работы были написаны на скорую руку и являлись неполными, но поскольку они опровергали MOND, то считались вполне научными и без проблем публиковались. Статьи же в защиту MOND воспринимались как ненаучные и появлялись на страницах журналов только после тяжелой борьбы. Как сказал один из астрономов, аббревиатура MOND считалась ругательством.

Пиблс взирал на эту битву сверху, но в 2002 году выступил от лица Милгрома и его коллег с упреком: «Теория MOND пока никак не опровергнута, и людей, которые ею занимаются, следует больше поощрять». Яаков Бекенштейн высказался по поводу отношения к работающим над этой теорией куда более резко: «Следует принять во внимание, что противостояние между теорией MOND и теорией темной материи не является чисто научным. В поиски темной материи инвестировались большие деньги… Теперь без нее нельзя обойтись, поскольку она стала основой многих карьер. Очевидно, что если на сцену выйдет теория, подобная MOND, это приведет к сокращению бюджета, выделяемого на исследования темной материи, и работы в этой сфере станет меньше».

С момента появления MOND Бекенштейн искал пути улучшения этой теории. Он имел склонность доискиваться до самых корней физических теорий и просто не мог оставить MOND в том состоянии, в котором она была. Он хотел получить нечто, сравнимое с общей теорией относительности и применимое во всех масштабах, от происходящего на Земле до процессов во Вселенной в целом. «Я решил, — говорил Бекенштейн, — что пришло время в качестве аргумента создать пример релятивистской теории». В 2004 году он опубликовал статью с описанием новой теории, конкурирующей с построениями Эйнштейна. Он назвал ее TeVeS, что расшифровывалось как тензон-вектор-скалярная теория гравитации. Красивой эта теория не была. Название намекало на мешанину полей, которые в совокупности приводили к совершенно новому набору уравнений, намного более сложному и запутанному, чем уравнения общей теории относительности Эйнштейна. Но при всей своей хаотичности теория Бекенштейна работала. В приложении к галактикам она вела себя как MOND, одновременно позволяя рассматривать эволюцию Вселенной и формирование крупномасштабных структур.

Большинство космологов и релятивистов относились к TeVeS с пренебрежением. Они отвергали ее как кустарный, громоздкий способ обхода проблемы, не дающий представления о ее сути. Но этот способ был предложен релятивистом с безупречной репутацией. Сформулированный Бекенштейном обобщенный второй закон термодинамики для черных дыр стал одним из наиболее глубоких откровений современной общей теории относительности и квантовой физики. Разумеется, существовала тенденция, когда старые, известные физики начинали разрабатывать странные идеи и проталкивали их силой своего авторитета. Но Бекенштейн к их числу не относился.

Бекенштейн был не одинок. Его предложение решало проблему темной материи, в то время как его коллеги пытались избавиться от космологической постоянной и темной энергии. Возросло количество гипотез, конкурирующих с общей теорией относительности, усилилась борьба вокруг корректной теории гравитации. Дополнительную аргументацию предоставляли потрясающие наблюдения, произведенные при помощи новых телескопов и инструментов, разработанных благодаря стремительному росту физической космологии. Любой анализ нового фрагмента космологических данных, подтверждающих общую теорию относительности, проходил по одной и той же схеме. Результаты неизбежно публиковались в виде пресс-релиза, а потом широко освещались в журналах, после чего с такой же неизбежностью следовал шквал статей, указывающих, что аргументы, воспринимаемые как неопровержимые доказательства общей теории относительности, на самом деле таковыми не являются.