За пределами Эйнштейна: «гравитационные радуги» и тайны космоса 0:01
Современная космология находится в точке, где теории Альберта Эйнштейна — основа нашего понимания Вселенной — проходят проверку на прочность. Ведущий шоу World Science Festival обсуждает с профессором теоретической физики Клаудией Дэйм (Imperial College London) фундаментальные загадки мироздания: природу темной энергии, расширение Вселенной и инновационный метод исследования этих явлений с помощью так называемых «гравитационных радуг».
От Ньютона к Эйнштейну: революция в представлении о гравитации 0:39
На протяжении столетий закон всемирного тяготения Исаака Ньютона считался незыблемым, однако в начале XX века он был радикально пересмотрен Альбертом Эйнштейном.
- Проблема мгновенного действия: Ньютон описал гравитацию как мгновенную силу. Дэйм отмечает, что даже сам Ньютон понимал теоретическую несостоятельность этого подхода: если бы объект внезапно возник, он бы мгновенно повлиял на всю Вселенную, что противоречит концепции скорости распространения информации (не превышающей скорость света).
- Искривление пространства-времени: В 1915 году Эйнштейн представил общую теорию относительности (ОТО). Согласно этой теории, гравитация — это не просто сила, а искривление ткани пространства-времени массивными телами.
- Успехи и аномалии: Ньютоновские законы с высокой точностью предсказали существование Нептуна. Однако они не могли объяснить аномальную орбиту Меркурия. Ранее ученые предполагали наличие неизвестной планеты Вулкан, но в итоге выяснилось, что движение планеты определяется именно эффектами искривления пространства-времени согласно Эйнштейну.
Космологическая постоянная и «величайшая ошибка» 12:33
Применив ОТО к Вселенной в целом, физики осознали, что она не может быть статичной — Вселенная должна расширяться или сжиматься под влиянием энергии и материи.
- Lambda ($\Lambda$): Чтобы уравновесить уравнения и получить статичную Вселенную, Эйнштейн ввел космологическую постоянную, действующую как «отталкивающая» сила.
- Реакция Эйнштейна: Когда Эдвин Хаббл в 1929 году доказал, что Вселенная действительно расширяется, Эйнштейн назвал введение этой постоянной своей «величайшей ошибкой».
- Возвращение идеи: В 1998 году наблюдения за сверхновыми показали, что расширение Вселенной не замедляется, а ускоряется. Это открытие привело к необходимости признать существование «темной энергии» — некой силы, которая ведет себя почти так же, как космологическая постоянная Эйнштейна.
Проблема квантового вакуума: разрыв в 120 порядков 19:59
Одной из самых серьезных проблем современной физики является несоответствие теоретических расчетов энергии вакуума с наблюдаемыми данными.
По мнению Клаудии Дэйм, вклад поля Хиггса в энергию вакуума превышает требуемое значение темной энергии на 56 порядков. Если же учитывать другие потенциальные вклады за пределами Стандартной модели, расхождение может достигать катастрофических 120 порядков. Дэйм подчеркивает, что это «самое большое несоответствие в истории физики»: если бы расчеты были верны, Вселенная расширялась бы настолько стремительно, что её размер не превышал бы одного сантиметра.
Гравитационные радуги: новый инструмент познания 22:10
Поскольку темная энергия крайне слабо взаимодействует с материей, Дэйм предлагает использовать гравитационные волны как способ её изучения.
- Аналогия с радугой: Как свет, проходя через капли воды, распадается на спектр, так и гравитационные волны, проходя сквозь «облака» темной энергии, могут разделяться на разные частоты.
- Гравитационные «цвета»: С 2015 года обсерватория LIGO фиксирует волны на частотах около 100 Гц. Исследователи стремятся изучать волны более низких частот (аналог красного спектра), чтобы увидеть, как они меняются при взаимодействии с темной энергией.
- Поляризация: В стандартной модели Эйнштейна гравитационные волны имеют две поляризации. Дэйм исследует версии теории, где таких «ароматов» волн может быть больше, что позволило бы обнаружить отклонения от стандартного сценария Эйнштейна.
