Современная космология столкнулась с величайшим кризисом в своей истории: предсказания квантовой теории поля о плотности энергии вакуума расходятся с наблюдаемыми данными на 120 порядков. Теоретический физик Клаудия де Рам предлагает радикальный выход из этого тупика через концепцию «массивной гравитации», где гравитон — гипотетическая частица-переносчик тяготения — обладает ненулевой массой. В беседе с астрофизиком Брайаном Китингом она объясняет, как модификация теории Эйнштейна может объяснить ускоренное расширение Вселенной и почему «падение» является необходимым условием для научного прогресса.
🌌 Массивная гравитация и загадка темной энергии 0:00
Темная энергия — это сила, которая, по мнению ученых, заставляет Вселенную расширяться с ускорением . Однако существует катастрофическое расхождение между теоретическими расчетами этой энергии и реальностью. Клаудия де Рам указывает, что если учитывать квантовые флуктуации всех известных полей (электронов, бозона Хиггса и других), расчетная скорость расширения Вселенной должна быть на 56–120 порядков выше наблюдаемой .
По мнению Клаудии де Рам, решение этого «парадокса космологической постоянной» может лежать в плоскости массивной гравитации:
- Если гравитон обладает массой, это фундаментально меняет свойства гравитации на больших расстояниях.
- Массивный гравитон может привести к «релаксации» или ослаблению влияния энергии вакуума на эволюцию Вселенной .
- В такой модели Вселенная может быть заполнена огромным количеством энергии вакуума, но её гравитационный эффект «размывается» из-за массы гравитона.
Брайан Китинг отмечает, что коллаборация DESI (Dark Energy Spectroscopic Instrument) недавно представила данные, указывающие на возможную переменность космологической постоянной во времени . Де Рам считает, что это открытие отлично вписывается в её теорию, так как эффекты массивной гравитации могут проявляться именно как «динамическая» темная энергия .
📖 «Красота падения»: философия и личный опыт 8:33
Клаудия де Рам представила свою новую книгу «The Beauty of Falling» (Красота падения), в которой научные изыскания переплетаются с личной биографией . Название и обложка книги символизируют разные аспекты гравитации: от свободного падения астронавта до погружения дайвера под воду .
В жизни Клаудии де Рам гравитация играет не только теоретическую роль:
- Она проходила отбор в отряд астронавтов Европейского космического агентства (ESA) .
- Она является сертифицированным пилотом (как и Брайан Китинг) и увлекается дайвингом .
- Её коллега, профессор Грег Габададзе, в своем вопросе отметил, что личный опыт «пребывания в космосе или под водой» может давать преимущество в понимании абстрактных физических концепций .
Клаудия подчеркивает, что в экстремальных ситуациях, таких как сваливание самолета (stall), инстинкты часто подводят человека — естественным желанием является потянуть штурвал на себя, что только усугубляет ситуацию . По её словам, прогресс в физике требует аналогичного самоконтроля: умения доверять логике и научному методу там, где интуиция пасует перед сложностью мироздания .
📡 Новые типы гравитационных волн и «G-свет» 20:04
Одним из следствий теории массивной гравитации является изменение скорости распространения гравитационных волн. В общей теории относительности (ОТО) гравитация всегда распространяется со скоростью света ($c$). Однако Клаудия де Рам в своей работе 2020 года (совместно с Эндрю Толли) предположила, что скорость гравитации может зависеть от частоты, подобно тому как свет образует радугу в воде .
Основные отличия массивной гравитации от ОТО:
- Дисперсия: Гравитационные волны разных частот могут двигаться с разной скоростью. На высоких частотах скорость близка к $c$, но на очень низких частотах могут возникнуть отклонения .
- Дополнительные поляризации: В ОТО существует только две моды поляризации («плюс» и «крест»). В массивной гравитации появляются дополнительные моды, включая «дышащую» моду (breathing mode) .
- Продольные волны: По аналогии со звуком, могут возникать продольные гравитационные волны, направление колебаний которых совпадает с направлением распространения .
По мнению гостьи, «дышащая» мода является «дымящимся пистолетом» (прямым доказательством) любой теории гравитации, выходящей за рамки Эйнштейна . В ОТО эти моды запрещены симметрией, основанной на принципе эквивалентности .
🛰️ Поиск следов в реликтовом излучении (CMB) 27:39
Брайан Китинг, работающий над проектом Simons Observatory, интересуется, как массивная гравитация влияет на B-моды поляризации реликтового излучения . Клаудия де Рам указывает на конкретные наблюдательные эффекты:
- Подавление на низких L: Если гравитон обладает массой, это предотвращает рождение первичных гравитационных волн на масштабах, сопоставимых с этой массой. Это должно привести к «плато» в спектре мощности на низких угловых масштабах (low L) .
- Альтернатива инфлатону: В некоторых моделях массивной гравитации дополнительные поляризации гравитационных волн могут сами выступать в роли «заменителя» инфлатона, вызывая температурные флуктуации, которые мы видим в CMB сегодня .
Обнаружение B-мод на очень низких L станет серьезным аргументом против существования массивного гравитона, так как его наличие должно «вырезать» эти сигналы .
🧱 Скрытые измерения и спин частиц 31:36
Обсуждая фундаментальную структуру материи, собеседники коснулись проблемы отсутствия в природе фундаментальных частиц со спином 3/2 (кроме композитных состояний) . Клаудия поясняет, что математическое описание частиц со спином выше 1 (гравитон имеет спин 2) крайне сложно и часто ведет к нестабильностям в теории .
Также была затронута тема дополнительных измерений:
- Идея дополнительных измерений (Калуца, Клейн) возникла почти сразу после создания ОТО .
- В теории струн дополнительные измерения обязательны, но Клаудия де Рам считает их естественным расширением гравитации, даже в отрыве от струнных моделей .
- По её мнению, мы можем воспринимать эффекты высших измерений как «тени» или реликты на космологических масштабах . Это могло бы объяснить, почему Вселенная ведет себя странно на больших расстояниях.
🧪 Нужна ли нам квантовая гравитация? 40:06
Брайан Китинг задает провокационный вопрос: зачем искать теорию квантовой гравитации, если её эффекты проявляются только в сингулярностях черных дыр или в момент Большого взрыва — местах, скрытых от наблюдения горизонтом событий?
Клаудия де Рам приводит следующие контраргументы:
- Проверка принципов: Даже если мы не видим квантовых эффектов гравитации напрямую, наши теории на низких энергиях должны быть согласованы с фундаментальными принципами, такими как унитарность (сумма вероятностей равна 1) и причинность .
- Исторический прецедент: Эйнштейн считал, что гравитационные волны никогда не будут обнаружены из-за их слабости, но спустя 100 лет они стали инструментом изучения Вселенной .
- Поиск единства: Понимание происхождения пространства-времени само по себе является фундаментальной целью человечества .
В завершение беседы де Рам комментирует мысленный эксперимент Эрика Вайнштейна: можно ли использовать гравитационные волны от электрона в двухщелевом опыте, чтобы узнать, через какую щель он прошел, не разрушая квантовую суперпозицию? Клаудия считает это невозможным на практике, так как амплитуда таких волн будет ниже предела неопределенности Гейзенберга для зеркал любого детектора . Чтобы реально проверить квантовую природу гравитации, нужно зафиксировать поглощение или излучение одиночного кванта — гравитона — например, через изменение энергетических уровней электрона в атоме, что на данном этапе развития технологий невозможно из-за космических шумов .
