Нейтронные звезды. Как понять зомби из космоса

Сказать “Это конец” никогда не бывает легко, особенно если речь идет о работе, на которую вы потратили годы. Но именно это и произошло в сентябре 2017 года, когда Мигель Зумалакарреги, физик-теоретик из Центра космологической физики Беркли, приехал в Институт теоретической физики в Сакле, расположенный недалеко от Парижа, чтобы выступить с докладом. До того, как сообщества LIGO и Virgo официально объявят миру о первом в истории наблюдении слияния двух нейтронных звезд, оставалось еще несколько недель. Но в научных сообществах, где работает более тысячи сотрудников, сложно держать новости в секрете, и слухи о столкновении уже распространились по социальным сетям, от университета к университету и от конференции к конференции. И Зумалакарреги готовился сказать аудитории, что это обнаружение – если оно окажется правдой – убьет целую кучу так называемых альтернативных теорий гравитации.

Общая теория относительности Альберта Эйнштейна была принята научной общественностью более века назад, заменив теорию тяготения Исаака Ньютона. В общей теории относительности гравитация – это не сила, а искривление пространства-времени, поэтому она предсказывает, что массивные тела искривляют ткань пространства-времени, заставляя луч света изгибаться, когда тот проходит рядом с ними. Но ученые знают, что у общей теории относительности есть проблема: ее невозможно примирить с физикой, описывающей очень малые сущности, то есть с квантовой механикой. Общая теория относительности легко описывает силу тяжести, например, то, как ручка падает, если ее сбросить со стола. Она объясняет, почему, если вы находитесь в лифте и лифт движется вниз исключительно под действием силы тяжести, невозможно узнать, на Земле вы или в космическом корабле, который движется с постоянным ускорением. Это называется принципом эквивалентности, который утверждает, что гравитационные поля неотличимы от ускоряющихся систем отсчета. Таким же образом общая теория относительности объясняет, как планеты обращаются вокруг звезды и как сталкиваются галактики. Но приблизим камеру, включив многократное увеличение, и нам понадобится квантовая механика, чтобы объяснить, как электроны вращаются вокруг атома, почему атом плутония распадается или почему два атома водорода сливаются с образованием гелия, а часть массы атомов водорода превращается при этом в энергию. Именно в таком процессе звезды получают свою энергию до тех пор, пока не исчерпают все свое топливо и не умрут.

Квантовую механику и общую теорию относительности не удается совместить: всякий раз, когда мы пытаемся объяснить поведение малого с помощью общей теории относительности или большого с помощью квантовой механики, все расползается. Возникает подозрение, что общая теория относительности – неправильная теория, поэтому ученые продолжают проверять ее в различных системах и средах, пытаясь найти ошибки. Они также надеются, что, анализируя альтернативные подходы, смогут приблизиться к пониманию того, что представляет собой некая правильная теория. Альтернативные теории гравитации обычно пытаются решить две фундаментальные проблемы общей теории относительности, которые мешают нашему пониманию Вселенной. Во-первых, нужно объяснить необходимость введения темной материи – невидимой материи, которая, как полагал Фриц Цвикки, удерживает вместе галактики в скоплении Кома. Другая проблема заключается в том, что для объяснения расширения нашей Вселенной нам нужно ввести темную энергию. Современное понимание темной энергии состоит в том, что это некая субстанция, которую невозможно зарегистрировать и давление которой заставляет Вселенную расширяться. Альтернативные теории пытаются представить ее как силу, являющуюся частью гравитации¹⁶.

Возможно, утверждают некоторые теоретики, гравитация сложнее, чем представлял ее Эйнштейн, и мы просто не увидели ситуаций, в которых эти сложности становились достаточно большими, чтобы оказывать заметное влияние (если только темная материя и темная энергия не являются такими ситуациями). Вот почему ученые разрабатывают альтернативные теории: чтобы модифицировать общую теорию относительности в надежде, что они смогут непротиворечиво описать все наши наблюдения без введения каких-либо темных сущностей. “Многие также пытаются модифицировать теорию из чистого любопытства: примерно треть нерешенных проблем в физике, включая темную материю и темную энергию, относятся к гравитации, например, не решены вопросы, связанные с черными дырами, остается проблема объединения квантовой механики и гравитации в единую теорию квантовой гравитации, а также проблема космологической постоянной”, – говорит Зумалакарреги.