Новая гравитация: спорит ли наука с Эйнштейном? 0:48
Альберт Эйнштейн однажды задался фундаментальным вопросом: «Было ли у Бога право выбора при создании Вселенной?». Сегодня этот же вопрос физики адресуют самому Эйнштейну, обсуждая его общую теорию относительности (ОТО). Профессор теоретической физики из Имперского колледжа Лондона Клаудия де Рам в беседе с модератором World Science Festival Брайаном Грином размышляет о том, обязана ли была гравитация быть именно такой, какой мы её знаем, и существует ли математически состоятельная версия теории, где гравитон — частица, переносящая гравитацию, — обладает крошечной, но ненулевой массой.
Гравитация как геометрия: наследие Эйнштейна 4:04
Исторически Исаак Ньютон первым математизировал гравитацию, однако Эйнштейн совершил радикальный скачок, представив её как геометрию искривлённого пространства-времени.
- Универсальность: В отличие от электромагнетизма, зависящего от электрического заряда, гравитация воздействует на всё без исключения. По словам де Рам, это указывает на то, что гравитация закодирована в самой структуре реальности, независимо от элементов.
- Геометрический подход: Хотя теорию можно излагать как чисто математическую конструкцию (дифференциальная геометрия Гаусса, Римана и Лобачевского), де Рам предпочитает современный взгляд на гравитацию как на фундаментальное поле, подобное электромагнетизму, где свойства пространства-времени возникают из симметрии.
Фотон и вопрос его массы 15:14
Размышляя о скорости света, Грин отмечает, что её уникальность связана с тем, что переносчик электромагнитного взаимодействия — фотон — не имеет массы.
- Пределы массы: Существуют экспериментальные ограничения на массу фотона, составляющие порядка $10^{-18}$ электронвольт.
- Влияние массы: Если бы у фотона была масса, он не смог бы двигаться строго со скоростью света в вакууме. На очень высоких частотах (в ультрафиолете) это было бы незаметно, но в инфракрасном диапазоне возникли бы физические аномалии в магнитных полях галактик.
«Массивная гравитация»: от запретов к прорывам 27:03
Идея приписать массу гравитону возникла ещё в 1930-х годах (работы Маркуса Фирца и Вольфганга Паули). Однако долгие десятилетия теория «массивной гравитации» считалась внутренне противоречивой.
- Проблема VDBZ: В 1970-х годах физики Ван Дам, Велтман и Захаров описали «дисконтинуитет» (разрыв), показав, что даже при бесконечно малой массе гравитона предсказания теории фундаментально отличаются от ОТО (например, в поведении света вокруг Солнца или падении тел).
- Проблема унитарности: Исследователи Булвар и Дезер показали, что попытки сделать теорию массивной гравитации последовательной ведут к нарушению унитарности — нарушению законов сохранения энергии и вероятности, что делает пространство-время нестабильным.
- Современный прорыв: Де Рам подчеркивает, что современные исследования, включая её собственные работы, позволяют обойти эти «запрещающие теоремы». Математически удалось построить структуру, где при «занулении» массы гравитона теория плавно переходит в ОТО Эйнштейна, при этом сохраняя математическую непротиворечивость.
Космологическая постоянная и «релаксация» 52:07
Одной из главных мотиваций для поиска новой теории является проблема ускоряющегося расширения Вселенной и космологической постоянной.
- Дилемма квантовой энергии: Согласно квантовой теории поля, вакуум должен обладать энергией, которая гравитирует. Однако теоретические оценки этой энергии расходятся с наблюдаемым ускорением Вселенной на 56 порядков.
- Механизм релаксации: Де Рам предполагает, что в теории массивной гравитации Вселенная могла «релаксировать» — то есть энергия вакуума со временем поглощается дополнительными степенями свободы гравитона, объясняя, почему мы видим нынешнее состояние космоса.
Взгляд в будущее: что сказал бы Эйнштейн?
Клаудия де Рам признает, что Эйнштейну, вероятно, не понравилась бы идея лишить гравитацию её «столпов» — изящных геометрических симметрий. Тем не менее, она сравнивает эстетику «массивной гравитации» с картинами Пикассо: на первый взгляд теория кажется сложной и запутанной, но по мере привыкания в ней открывается своя внутренняя логика.
В настоящее время научная группа де Рам занимается численным моделированием гравитационного коллапса в рамках массивной гравитации. Хотя до точных решений типа черных дыр еще далеко, ученые уже видят, что даже в этой модели гравитационные волны ведут себя предсказуемо.
