Эмиль Ахмедов, заведующий кафедрой теоретической физики МФТИ, обсудил границы применимости общей теории относительности (ОТО) в рамках дискуссии с Владимиром Сурдиным и Алексеем Семихатовым . Физики проанализировали причины, по которым современная наука стремится модифицировать наследие Альберта Эйнштейна, и оценили шансы на открытие новой теории гравитации .
🔭 Наследие Ньютона и аномалия Меркурия 2:00
Исторический прецедент смены научной парадигмы связан с движением Меркурия в конце XIX века. Все планеты Солнечной системы подчинялись небесной механике Исаака Ньютона, однако Меркурий демонстрировал аномальный поворот орбиты .
- Величина аномалии: 43 угловые секунды в столетие .
- Попытка сохранения теории: астрономы постулировали существование девятой планеты — Вулкана, расположенной внутри орбиты Меркурия .
- Результат: планету Вулкан не обнаружили, а проблему решило только появление ОТО Альберта Эйнштейна.
Алексей Семихатов отметил, что современная ситуация с тёмной материей напоминает историю с Вулканом: учёные либо ищут невидимое вещество, либо пытаются модифицировать саму теорию гравитации . По словам Эмиля Ахмедова, выбор между модификацией гравитации (теория MOND) и добавлением тёмной материи часто продиктован эстетическими предпочтениями учёного .
🌌 Проблема тёмной материи и эстетика ОТО 7:40
Тёмная материя понадобилась для объяснения аномально высоких скоростей вращения звёзд в галактиках . На больших расстояниях гравитации видимого вещества не хватает, чтобы удержать звёзды на орбитах.
Эмиль Ахмедов выделил два подхода к этой проблеме:
- Модифицированная ньютоновская динамика (MOND): добавление в формулу силы членов, зависящих от ускорения и скоростей .
- Постулирование скрытой массы: сохранение ОТО Альберта Эйнштейна при добавлении во Вселенную невидимого вещества, взаимодействующего только гравитационно .
Гость подчеркнул, что ОТО геометрически красива и самодостаточна . Модификации же часто выглядят как искусственное добавление слагаемых без фундаментальной причины, подобно эпициклам в системе Птолемея .
⚛️ Тупик квантовой гравитации 15:32
Главная причина поиска новой теории — несовместимость ОТО и квантовой механики. ОТО отлично описывает макромир и сильные поля, а квантовая механика — микромир, но «поженить» их не удаётся .
Владимир Сурдин напомнил, что гравитация — экстремально слабая сила . Взаимное притяжение двух людей массой по 70 кг, сидящих в метре друг от друга, составляет всего 0,1 мг . Из-за этой слабости крайне сложно проводить эксперименты по обнаружению квантов гравитационного поля — гравитонов.
Попытки проквантовать гравитацию включают:
- Теорию струн.
- Петлевую квантовую гравитацию .
- Матричные теории (Matrix theory), где пространство дискретно (состоит из атомов пространства), а время может оставаться непрерывным .
Интерес к матричным теориям угас в последние 25 лет, так как их крайне сложно связать с наблюдаемыми экспериментами .
🕳️ Чёрные дыры и информационный парадокс 29:12
Стивен Хокинг предсказал излучение чёрных дыр, работая на стыке классической гравитации и квантовых полей . Это привело к возникновению информационного парадокса: если чёрная дыра полностью испаряется, информация о телах, упавших в неё, может безвозвратно исчезнуть, что противоречит принципам квантовой механики .
Эмиль Ахмедов пояснил, что сингулярность в центре чёрной дыры или в начале Большого взрыва — это не физический объект, а математический сигнал о том, что текущая теория перестаёт работать . Решение парадокса может крыться в квантовой природе гравитации на последних стадиях испарения чёрной дыры .
⚖️ Масса гравитона и нарушение симметрии 33:17
Одной из радикальных модификаций является допущение, что у гравитона есть масса покоя . Согласно ОТО, гравитон безмассовый и перемещается строго со скоростью света.
Последствия наличия массы у гравитона:
- Скорость гравитационных волн будет ниже скорости света .
- Гравитационное взаимодействие между телами должно измениться (в некоторых моделях — усилиться в полтора раза) .
- У гравитона появляется больше степеней свободы и способов поляризации («богатая внутренняя жизнь») .
Однако наблюдения за слиянием нейтронных звёзд показали, что вспышка света и гравитационная волна приходят практически одновременно . Это накладывает жёсткие ограничения на массу гравитона, делая её близкой к нулю.
🕰️ Атомные часы как инструмент познания 56:14
В отсутствие сверхмощных коллайдеров физики возлагают надежды на прецизионные измерения времени на Земле . Современные атомные часы достигли точности в 10⁻¹⁹ .
Это позволяет:
- Фиксировать гравитационное замедление времени на разнице высот всего в 1 сантиметр .
- Использовать сеть хронометров как детекторы гравитационных волн через их рассинхронизацию .
- Изучать структуру гравитационного поля Земли для геологоразведки .
Владимир Сурдин отметил, что если бы такие часы запустили 14 млрд лет назад в момент Большого взрыва, к сегодняшнему дню они ошиблись бы не более чем на 2 секунды .
📉 Будущее физики: усложнение или упрощение? 1:04:18
Участники дискуссии разошлись во мнениях о том, какой будет следующая теория. Владимир Сурдин предположил, что она станет настолько математически сложной, что её смогут понять лишь единицы, подобно доказательству теоремы Ферма на 600 страницах .
Эмиль Ахмедов не исключил возможности «возвращения к простоте», но признал, что ОТО Альберта Эйнштейна — «чертовски устойчивая штука» . На данный момент не существует ни одного экспериментального факта, который бы однозначно опровергал ОТО в её области применимости. По прогнозу гостя, теория Эйнштейна продержится ещё долго, так как для её преодоления требуются принципиально новые идеи, а не просто усложнение математического аппарата .
