Темна сторона Всесвіту. Теорію Ейнштейна потрібно переглянути?

Чорні діри, темні матерії, темна енергія - ці найбільші загадки космології нерозривно пов'язані з теорією відносності.

Протягом майже цілого століття загальна теорія відносності не дає спокою науці. Щоб її перевірити, будуються обсерваторії, відправляються супутники в космос, пише Der Tagesspiegel.

Наприклад, наступного року за допомогою французького міні-супутника Microscope з великою часткою точності буде проведено аналіз вільного падіння двох тіл, виконаних з різних металів. Чи будуть обидва металевих циліндра рухатися однаково в полі земного тяжіння? Або ж теорію Ейнштейна потрібно переглянути?

Дотепер вона підтверджувалася при всіх проведених коли-небудь експериментах. З іншого боку, вона є "солітером" серед фізичних теорій. На відміну від інших описів фізичних сил, загальна теорія відносності є одночасно теорією простору і часу.

Від гравітації не втекти

Простір і час не є жорстко закріпленою сценою. Масштаби простору і часу змінюються поруч з масивними небесними тілами. Тільки гравітаційне поле визначає "метричні властивості чотиривимірного вимірювального простору", зазначав Ейнштейн.

Оскільки гравітація впливає в рівній мірі на різні матерії і, на відміну від електричних і магнітних сил, не може бути виключена, її можна в цілому інтерпретувати як спотворення простору і часу.

Ейнштейн порівняв цей спотворений часовий простір з натягнутою хусткою, в якій кожне небесне тіло створює поглиблення, яке рухається разом з ним, у той час як впадає в сферу впливу інших заглиблень.

Його абсолютно нове розуміння гравітації внесло свій внесок у розвиток сучасної космології. Найважливіші питання фізики, про які постійно йдуть професійні дискусії, нерозривно з нею пов'язані.

Що відбувається на підступах до чорних дірок? Як виник Всесвіт? Звідки походить темна енергія, яка все швидше розганяє галактики? З чого складається темна матерія, яка помітна через її гравітаційний ефект в космосі?

Теорія Ейнштейна і її недоліки

Ейнштейн нічого не знав про темну матерію, темну енергію або чорні  діри. Коли він закінчив свою епохальну працю і представив її 25 листопада 1915 Пруській академії наук в Берліні, він навіть не знав про існування інших галактик по той бік Чумацького шляху, не кажучи вже про розширення Всесвіту.

Великі астрономічні відкриття ХХ століття були ще попереду. Тим дивніше те, як він відкрив для космології, виходячи з небагатьох, швидше інтуїтивних фізичних припущень, абсолютно нові перспективи.

Загальній теорії відносності виповнився рівно один рік, коли він сам виявив її недоліки. Ейнштейн намагався описати Всесвіт як ціле. Крім того, він модифікував свою теорію і додав додатковий член до рівнянь поля - "космологічну константу". Вона повинна була визначити, що Всесвіт не розширюється.

Рівномірний розпод зірок

Уявлення Ейнштейна про побудову космосу грунтувалися на простій думці - Всесвіт виглядає в будь-якому напрямку однаково. Типова для нього позиція. З даними астрономів вона співпадала лише частково.

Оскільки той, хто подивиться ясною ніччю на небо, побачить в одному місці лише кілька зірок, в іншому - ціле море зірок, але насамперед Чумацький шлях. Можна подумати, ніби всі зірки сконцентровані в Чумацькому шляху, а за його межами знаходиться порожній простір.

Ейнштейн провів аналіз. На його думку, теорія тяжіння Ньютона говорила про те, що у світу є середина, де зосереджені зірки, у той час як за її межами щільність зірок знижується і кінчається нескінченної порожнечею. Але це додавало б порожньому простору значення, що суперечило теорії Ейнштейна.

Крім того, така розстановка не могла б продовжуватися тривалий час. Зірки покинули б острів і зникли б в нескінченності, не повертаючись назад. Одна зірка за одною в гравітаційної грі небесних тіл покинула б центр, а Світовий острів поступово спорожнів б.

У космосу немає середини

Астрономічні спостереження не давали вказівок на це. Ейнштейн припускав, що зірки можуть бути рівномірно розподілені в просторі. "Скільки не подорожуй по космосу, всюди знайдеться скупчення зірок схожого виду і однакової щільності". Іншими словами, людина не знаходиться в центрі космосу, тому що такого центру взагалі немає. Така основна ідея сучасної космології.

Щоб з'єднати його уявлення з моделлю світу, Ейнштейн припустив, що наявна матерія тимчасового простору так сильно спотворюється, що утворює кулю. Так Всесвіт замикається на собі і є нескінченним.

У лютому 1917 року Ейнштейн представив Берлінській академії свої "Космологічні спостереження", в яких він описав Всесвіт, в тому числі в тимчасовому відношенні. Але  він змушений був констатувати, що його представлені в листопаді 1915 дослідження не допускали статичний Всесвіт. Ейнштейн зважився доопрацювати свої дослідження, над якими він працював вісім років, додавши в них космологічну константу.

Найбільша помилка Ейнштейна

Додаткова складова має велике значення.

"Вона показує, що Ейнштейн у 1915 році, на відміну від того, що він писав, знайшов ще не всі співвідношення, порівнянні з його вимогами", - відзначає експерт Юрген Ренн, директор Інституту Макса Планка в Берліні.

З математичної точки зору введення космологічної константи було виправдано. Але Ейнштейн поставив її на чашу терезів, щоб врівноважити космічний баланс таким чином, щоб Всесвіт не розширявся і не стискався. Але він випустив з виду той факт, що подібний баланс був нестабільний.

Хоча він назвав пізнє введення константи найбільшою помилкою, вона все ж знову з'являється в сучасній космології. Вона переживає ренесанс - після того, як було доведено, що Всесвіт не тільки розширюється, але це розширення проходить ще й з прискоренням.

З початку 21 століття стали з'являтися вказівки на те, що більше двох третин щільності енергії Всесвіту проводиться загадковою силою тиску, космологічною константою. Але яка невідома темна енергія приводить в рух розширення космосу? Деякі дослідники вважають, що за нею ховається енергія вакууму, яка походить з постійних квантово-фізичних процесів.

Через п'ять років доведено відхилення світла

Загальна теорія відносності виводить на поверхню ряд питань. Разом з тим, вона допомагає вченим прийти до несподіваних висновків щодо структури космосу. Прикладом може служити колишнє пророкування Ейнштейна про те, що світло від далеких зірок викривляється навколо сонця.

Воно зробило його відомим у всьому світі в листопаді 1919 року, після того як британські астрономи довели це відхилення світла в повному сонячному затемненні. "Все світло у небі - викривлене", з таким заголовком вийшов випуск New York Times, в якому йшлося про революцію в науці.

Галактики і скупчення галактик об'єднують світло ще більш ефективно, ніж сонце. Вони діють схожим чином, як лінзи телескопа. Перша вказівка на цей гравітаційний лінзовий ефект є ще в записах Ейнштейна. Він в 1912 році вивчав цей оптичний феномен в геометричних начерках.

Його розрахунки переконали його в тому, що лінзовий ефект засобами того часу побачити не можна. Але в 1936 році він представив свої дослідження. До публікації його підштовхнув інженер Руді В. Мандль.

Зраділи цьому насамперед британські астрономи, які в 1979 році звернули увагу на дивну пару "близнят" в сузір'ї Великої Ведмедиці. Два практично однакових джерела світла поруч один з одним.

Навколо одного і того ж об'єкта, квазара, активного ядра галактики. Незабаром після цього стало зрозуміло, з чим був пов'язана ця пара. Між квазаром і Землею перебувала галактика з малою кількістю світла, яка було раніше непомітна. Вона направляла промені різними шляхами в очі земного спостерігача.

Коли світло досягає Землі різними шляхами, астрономи бачать один і той же об'єкт як подвоєний, потроєний або - залежно від тривалості світла, в різний час. Так, група астрономів на чолі з Патріком Келлі з Каліфорнійського університету в Берклі рік тому за допомогою телескопа Hubble спочатку побачила чотири зображення рідкісного вибуху зірок в далекій галактиці.

Зображення цієї наднової зірки були відкинуті гравітаційною лінзою в сузір'я Лева на нічне небо.

Лінза показує вибух зірки, немов в сповільненій зйомці

Лінза дає астрономам, ймовірно, більше зображень вибуху зірки. Згідно з підрахунками, початок наднової зірки під певним кутом можна буде побачити тільки на початку 2016 року. Дослідники тоді зможуть детально її вивчити.

Подібні погляди в космічні події вельми ефектні. Не менш заворожують самі гравітаційні лінзи. Спосіб і вид відхилення світла багато що говорить про сконцентровану в лінзах матерію. Астрономи таким чином можуть довести і наявність темної матерії в космосі, яка також відповідає законам теорії гравітації Ейнштейна і відводить промені світла від курсу.

Приклад тому - кластер в сузір'ї Карина. Він виник в результаті зіткнення двох скупчень галактик. Між ними світиться стиснений газ. Незважаючи на це, обидва скупчення галактик при зіткненні практично без пошкоджень проникли один в одного. Це особливо стосується темної матерії.

У кластері, по всій видимості, більше маси у формі темної матерії. Станом на сьогоднішній день, темна матерія дає в п'ять разів більше енергетичної щільності, ніж усі відомі нам форми матерії.

Об'єднання загальної теорії відносності з квантовою фізикою тільки належить зробити

З чого вона складається? Дослідники гадають до сьогоднішнього дня про її склад. Чи вдасться фізикам за допомогою Великого адронного коллайдера довести наявність гіпотетичних елементарних частинок темної матерії? Поки дослідники у своїх лабораторіях не знайшли доказів того, що ж являє собою темна сторона Всесвіту. Що ховається за темною енергією? Чи існує фізичний процес, який зможе одного разу зупинити колапс зірок в чорних дірах?

Поки такі питання залишаються без відповіді, об'єднання загальної теорії відносності з квантовою фізикою залишається справою майбутнього. Хоча пошук всесвітньої формули триває. Якщо мова йде тільки про аспекти гравітації, теорія Ейнштейна, як і колись, надає собою надійні рамки для сучасної космології. Через 100 років після відкриття генія вона залишається однією з кращих підтверджених теорій. І все ще являє собою основу для багатьох несподіваних відкриттів.