Забытая теория гравитации ХХ века, которая может изменить наше представление о Вселенной

Речь пойдет о теории французского физика и математика Эли Картана, которая разрабатывалась совместно с Альбертом Эйнштейном. Теория Эйнштейна-Картана - это, возможно, единственная классическая альтернатива теории гравитации Эйнштейна (Общей Теории Относительности), которая до сих пор не была опровергнута экспериментом. Однако, подтвердить ее экспериментально тоже очень сложно, благодаря почти полному соответствию Теории Относительности, за исключением одного нюанса. Есть мнение, что этот нюанс может объяснить феномены рождения Вселенной, черных дыр, космической инфляции и даже темной материи.

Черные дыры в представлении художника
Черные дыры в представлении художника

Предыстория теории гравитации

Ньютон

Каждый старшеклассник знает: F = G mM / r^2. Гравитационная сила взаимодействия двух масс "M" и "m" прямо пропорциональна их произведению, и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними "r". Гравитационная постоянная "G" - это постоянная величина, константа, характеризующая гравитационное взаимодействие. Этот закон всемирного тяготения был сформулирован Исааком Ньютоном еще в середине XVII века, и являлся парадигмой на протяжении более, чем 200 лет. Открытие закона стало следствием возникновения теории математического анализа, который включает дифференциальное и интегральное исчисление. К слову, Ньютон является одним из основоположников математического анализа.

Исаак Ньютон, 1643 - 1727. Холст, масло.
Исаак Ньютон, 1643 - 1727. Холст, масло.

Научному миру начала XX века было трудно поверить, для описания гравитации может появиться новая теория, которая позволит более точно понять суть физического явления. Однако, эта теория появилась, благодаря Альберту Эйнштейну. Заметим, однако, что возможность создания этой теории снова появилась благодаря развитиям в области математики. Математический фундамент для построения физических теорий Эйнштейна разработал гениальный ученый Анри Пуанкаре.

Эйнштейн

Вернемся к физике. Сначала Альберт Эйнштейн разработал Специальную Теорию Относительности (СТО). Суть ее заключалась в описании идеи, что информация о каком-либо событии не может передаваться с бесконечной скоростью. Таким образом, обычный свет или радио-волна, как электромагнитные поля, должны распространяться с конечной скоростью. Из СТО следует связь пространства и времени в единую сущность, а так же относительность времени для наблюдателей, движущихся с разной скоростью.

Альберт Эйнштейн, 1879 - 1955
Альберт Эйнштейн, 1879 - 1955

Продолжением работы Альберта Эйнштейна стала Общая Теория Относительности (ОТО), которая обновила собой закон Ньютона о всемирном тяготении. В книге "Гравитация" авторы Мизнер, Торн (Кип Торн, один из создателей фильма Интерстеллар режиссера Кристофера Нолана) и Уилер подводят суть теории Эйнштейна простыми словами: "Материя показывает пространству-времени как искривляться, пространство-время (искривленное) показывает материи куда двигаться". В виде уравнения это формулируется, как R = 8πG/c^2 * T. Здесь R - это пространство-время с его кривизной, T - материя и энергия, остальное - константы: скорость света c, известное всем число π, Ньютоновская гравитационная постоянная G, о которой шла речь ранее.

Визуальное представление искривления пространства-времени в присутствии массивного объекта. Пространство - сетка. Время - цвет.
Визуальное представление искривления пространства-времени в присутствии массивного объекта. Пространство - сетка. Время - цвет.

Общая Теория Относительности (ОТО) вводит геометрическую кривизну для "плоского" пространства-времени, рассматриваемого в СТО. Действие гравитации описывается через расхождение траекторий двух одинаковых частиц, движущихся неподалеку друг от друга в искривленном пространстве. Одним из следствий ОТО является относительность времени, теперь уже не только для объектов, движущихся с разной скоростью, но и для объектов, находящихся в областях с различной величиной кривизны пространства.

Эффект гравитационного линзирования: свет от голубоватой галактики, находящейся за желтой галактикой в центре, изначально расходился в разные стороны.  Однако, кривизна пространства вокруг центральной галактики отклонила эти расходящиеся лучи от изначальной траектории, и отправила к нам. Изображение получено с телескопа Хаббл.
Эффект гравитационного линзирования: свет от голубоватой галактики, находящейся за желтой галактикой в центре, изначально расходился в разные стороны. Однако, кривизна пространства вокруг центральной галактики отклонила эти расходящиеся лучи от изначальной траектории, и отправила к нам. Изображение получено с телескопа Хаббл.

Множество научных экспериментов подтвердили ОТО и СТО. Феномен относительности времени учитывается в спутниках GPS-навигации при определении нашего местонахождения. Поскольку спутники двигаются относительно Земли с большой скоростью, в области меньшего гравитационного поля, мы наблюдаем, что часы на них идут медленнее. Игнорирование СТО и ОТО повлечет за собой много недовольных водителей автомобилей с Google Maps или Яндекс Карты, которые приехали не в тот пункт назначения.

Этот момент, когда не учел релятивистские эффекты (СТО и ОТО) в GPS-навигаторе...
На фото: Tesla Roadster и Starman, запущенные на около-Земную орбиту Илоном Маском и SpaceX.
Этот момент, когда не учел релятивистские эффекты (СТО и ОТО) в GPS-навигаторе... На фото: Tesla Roadster и Starman, запущенные на около-Земную орбиту Илоном Маском и SpaceX.

Пока что не наблюдалось физических систем, где Теория Относительности нарушается. Однако, есть указания, что такие системы могут существовать, просто сейчас нет возможности получить о них какую-либо информацию. Более того, известны теоретические сценарии, в которых ОТО перестает давать разумные результаты: начало Вселенной (Большой Взрыв) и черные дыры. Кроме этого, пока не ясно, как объединить гравитацию с другими теориями в одну большую картину.

Теория Эйнштейна-Картана, или все новое - это хорошо забытое старое

При построении Общей Теории Относительности Эйнштейн постулирует, что "локально", в каждом бесконечно малом кусочке пространство можно считать "плоским", где действие гравитации не заметно. Затем "кривизна" пространства-времени, представляющая собой силы тяготения, появляется из-за разных расположений двух таких бесконечно малых кусочков пространства относительно друг друга. В математическом описании этого эффекта присутствуют, так называемые, коэффициенты связи "Г". При разработке ОТО, для упрощения модели, Альберт Эйнштейн вводит вид симметрии для "Г". И тут начинается самое интересное. Оказывается, если не вводить данный вид симметрии в уравнения, то в уравнениях ОТО Эйнштейна появляются дополнительные "торсионные" компоненты, связанные с внутренним угловым моментом движения элементарных частиц, который называется "спин". Оказывается, что эти компоненты проявляют себя заметным образом только при невероятно высоких энергиях и плотностях вещества. Этот факт значительно затрудняет экспериментальную проверку теории.

Где теория Эйнштейна-Картана себя проявляет?

В 70-х годах XX века ученые пытались оценить возможность проверки Теории Эйнштейна-Картана, но результаты оказались пессимистичными. "Торсионные" эффекты, в отличии от гравитации, никак не проявляют себя на расстоянии от материи, вещества. А даже для ультра-плотных нейтронных звезд плотность вещества в 10^40 (10 c сорока нулями) раз меньше, чем необходимая плотность, для проявления "торсионных" эффектов. Силы деформации электромагнитного характера, действующие на нейтронные звезды, в 10^36 раз больше "торсионных". Более плотные объекты во Вселенной, кроме нейтронных звезд, это только черные дыры, где все происходящее внутри скрыто за горизонтом событий. За областью, откуда ничего не может вернуться, даже свет. Мы не сможем заглянуть за горизонт событий, чтобы рассказать о физике внутри черной дыры. А если заглянем, то никому уже не расскажем.

Известно, что перед попаданием в черную дыру на объект действуют приливные силы, превращая все и вся в спагетти. Интересно, что для сверх-массивных черных дыр приливные эффекты возле горизонта событий слабее, и гипотетически пересечь горизонт событий живым и целым легче.
Известно, что перед попаданием в черную дыру на объект действуют приливные силы, превращая все и вся в спагетти. Интересно, что для сверх-массивных черных дыр приливные эффекты возле горизонта событий слабее, и гипотетически пересечь горизонт событий живым и целым легче.

Однако, отличие Общей Теории Относительности (ОТО) от теории Эйнштейна-Картана как раз заключается в следующем вопросе: что находится внутри черной дыры?

- Согласно ОТО, при коллапсе звезды в черную дыру появляется сингулярность - бесконечная малая точка или бесконечно тонкое кольцо, с бесконечно высокой плотностью. Точка или кольцо - зависит от того, вращается ли черная дыра. В любом случае, физика не любит бесконечностей. История развития науки показывает, что обычно "бесконечность" в вычислениях говорит о пробеле в теории.

- Согласно теории Эйнштейна-Картана, торсионные компоненты расталкивают вещество при сверх-высоких плотностях, препятствуя образованию сингулярностей. Но это еще не самое интересное.

Рождение новой вселенной из черной дыры и другие последствия

Никодем Поплавски, работающий в данный момент в университете Нью Хэвен, США - один из современных ученых, занимающихся теорией Эйнштейна-Картана. В 2016 году он показал, что, согласно нашей теории, при коллапсе звезд в черную дыру происходит следующее:

1) В центре черной дыры вещество не проваливается в сингулярность, а отскакивает, достигая критической плотности. Это разрешает "информационный парадокс" черных дыр, сформулированный Стивеном Хокингом. Информация больше не пропадает в сингулярности.

2) Согласно классическим общепринятым теориям, сильная кривизна пространства-времени возле области отскока формирует множество пар частица - античастица. Обычно частицы и анти-частицы при реакции аннигилируют, превращаются в гамма-излучение. Но в сильных полях они не успевают это сделать. По крайней мере, не все. Это вещество формирует новую Вселенную внутри черной дыры. Энергия для новой Вселенной сохраняется, а энтропия увеличивается.

Принцип рождения новой Вселенной, описанный немного в другом контексте, но хорошо иллюстрирующий подход теории Эйнштейна-Картана.
Принцип рождения новой Вселенной, описанный немного в другом контексте, но хорошо иллюстрирующий подход теории Эйнштейна-Картана.

3) Горизонт событий черной дыры становится мостом Эйнштейна-Розена (кротовой норой или червоточиной, иными словами) в новую образовавшуюся Вселенную. Этот термин означает туннель, соединяющий две отдаленных области пространства и времени. Для уравнений ОТО Эйнштейна так же существует решение, соответствующее кротовой норе, но его считают не физическим. Т.е., например, как решение квадратного уравнения в виде комплексного числа, когда дискриминант уравнения меньше нуля.

4) Никодем предполагает, что и наша Вселенная образовалась таким же образом. При этом на вопросы "куда девается антивещество?" дает ответ все так же теория Эйнштейна-Картана. Вещество и анти-вещество при огромных энергиях склонны вести себя разным образом. Вещество образует обычную нам материю, а антивещество распадается в тяжелые частицы темной материи, которые в 14 тысяч раз тяжелее протонов. Да-да, той самой загадочной темной материи, которая будоражит умы астрономов. Найти, однако, темную материю, и проверить, соответствует ли она этой теории, пока не удается.

Темная материя - неизвестная сила, которая притягивает к себе галактики, и заставляет их вращаться, как будто вокруг них присутствует больше материи, чем должно быть. Что это такое - пока не ясно.
Темная материя - неизвестная сила, которая притягивает к себе галактики, и заставляет их вращаться, как будто вокруг них присутствует больше материи, чем должно быть. Что это такое - пока не ясно.

5) В современной космологии предполагается, что в первые мгновения во Вселенной происходила инфляция - стремительное экспоненциальное расширение пространства. Точно описать феномен инфляции, или откуда он взялся, пока не удается. А вот теория Эйнштейна-Картана предлагает, что как раз торсионное взаимодействие при высоких плотностях и энергиях и приводит к инфляционному эффекту, отскоку.

Проверка теории

Можно ли все-таки проверить теорию Эйнштейна-Картана в эксперименте? Очень сложно, как мы с вами убедились. И пока не до конца ясно, каким образом. Есть мнение, что эксперименты с элементарными частицами смогут помочь в этом вопросе. Данные реликтового излучения от Большого Взрыва, возможно, также смогут приоткрыть завесу тайны. Положительный или отрицательный результат при проверке этой элегантной теории, в любом случае, привнес бы большой вклад в науку.

Спасибо за внимание!
Если Вам была интересна эта статья - подпишитесь на мой канал!