Темна енергія та масагравітону, Темна матерія та темна енергія
Claudia de Rham Assistant Professor Ph. D. Cambridge University, UK
Проблеми, пов'язані з темною енергією, не вичерпуються тим, що її природа не дуже зрозуміла. Одна з головних проблем сучасної фізики пов'язана з тим, що астрономічні дані катастрофічно розходяться з теоретичними розрахунками, причому «катастрофічно» у разі не просто епітет: цю проблему вчені називають вакуумною катастрофою. У квантовій теорії поля порожній простір, вакуум теж має енергію, причому розрахунки показують дуже високу щільність цієї енергії. Різниця між квантовими прогнозами і тими оцінками, які випливають з астрономічних спостережень, перевищує сто порядків і остаточного пояснення цього «гіршого в історії фізики розходження теорії з досвідом» (оцінка Лі Смоліна, провідного фізика-теоретика та фахівця з теорії струн наших днів) поки що хто не має.
Теорії, які однак вирішують протиріччя, пов'язані з енергією вакууму, існують. Але більшу їх частину не можна перевірити або через технічні обмеження (у вчених немає достатньо потужних прискорювачів частинок і найближчому майбутньому вони не з'являться), або з принципових причин (сама теорія дає занадто нечіткі передбачення). Великі надії багато фізиків покладають на теорії струн, де точкові частинки замінені на струни кінцевої довжини в багатовимірному просторі, проте саме до струнних теорій найбільше претензій щодо розмитості їх пророцтв. Існує дуже багато можливих варіантів струн у просторах з різною розмірністю та різною геометрією тих фігур (математики говорять «різноманітності») на які ці струни намотуються, тому за бажання завжди можна знайти кілька варіантів струнного світу, яківсі будуть схожі на реальний Всесвіт. Теорії, з яких не можна вибрати правильні, у строгому значенні слова навіть не можна назвати науковими: вони не задовольняють критерію фальсифікованості.
Ключовим місцем нової теорії є те, що переносник гравітаційного поля, гравітон повинен мати масу. У більшості інших теорій гравітон позбавлений маси за аналогією з фотоном, але ще з 1960-х років вчені по всьому світу розробляють моделі з масивними гравітонами. Теоретиків не бентежить те, що в експериментах поки що не зафіксовано не лише сам гравітон (хоч із масою, хоч без неї), а й гравітаційні хвилі, передбачені ще загальною теорією відносності, ВТО. На користь ОТО говорять багато інших фактів (наприклад, гравітаційні лінзи), а квантову механіку все одно треба поєднувати з ОТО тим чи іншим чином. Відповідно, концепція квантів поля, на якій побудовані добре перевірені теорії електромагнітного, сильного та слабкого полів, є цілком логічною для розвитку та у бік гравітації. Будь-яке поле в квантовій теорії може бути представлене як набір квантів, кванти випромінюються і поглинаються частинками і за рахунок обміну квантами частинки взаємодіють між собою або навіть перетворюються одна на одну (слабке поле може перетворювати нейтрон на протон, електрон та антинейтрино за рахунок зміни одного з трьох кварків). Маса квантів, у свою чергу, накладає обмеження на радіус дії поля, тому маса гравітонів у всіх теоріях дуже мала і на 33 порядки менша від маси нейтрино.
Разом з колегами деРам показала, що навіть невелика маса гравітону, яка не суперечить астрофізичним даним, може призвести до того, що ці частинки компенсують дуже високу енергію вакууму, яка виходить у квантовій теорії поля. На думку іншогодослідника, Марка Уаймана, теорія деРам дозволяє вирішити проблему темної енергії найбільш витонченим шляхом, без додавання екзотичних частинок, безлічі прихованих вимірів або інших сутностей, які вимагають радикального перегляду наших уявлень про Всесвіт.
Обговоренням теорії деРам велося протягом кількох років і за цей час фізикам вдалося показати те, що вона позбавлена внутрішніх вад: у цій теорії не виникає фізично неможливих полів, поява яких відразу вивела б модель з розгляду. Нові оцінки, представлені на конференції COSMO 2013, вказують на те, що з цієї теорії випливає дещо інша картина гравітаційного поля в межах Сонячної системи порівняно із звичайною теорією відносності та ньютонівською теорією тяжіння. Відмінності, як вказала деРам, невеликі, проте вони призведуть до того, що відстань між Землею та Місяцем буде на 10 -10 відсотків відрізнятиметься від «основної» теорії. А існуючі методи лазерної локації вже сьогодні дають точність всього вдесятеро нижче, тоді як експериментальні методи вдосконалюються рік у рік: необхідної точності, ймовірно, вдасться досягти в найближчому майбутньому.
Фізик-теоретик з Мюнхенського університету Людвіга-Максіміліана В'ячеслав Муханов з Уайманом не згоден: той варіант концепції, в якому немає неможливих фізичних полів, відноситься до класу біметричних теорій. Тобто в ньому не один метричний тензор (математичний об'єкт, що описує геометрію простору-часу), а два. Це, на думку Муханова, ніяк не можна назвати витонченим рішенням. Поки вчені розходяться в тому, чи вважати теорію деРам найпростішим і найкрасивішим поясненням. Чи вірна вона на практиці, можна буде дізнатися найближчими роками чи навіть місяцями, вважає Уайман.