Ученые университета обнаружили изъяны в популярных теориях гравитации

16:40, 24 октября 2017

Сотрудник вуза вместе с зарубежным коллегой предложил новый способ построения моделей проявления черных дыр

Модель изображения черной дыры (около десяти солнечных масс). Фото: Wikimedia Commons

Взяв в качестве проверочного материала черные дыры как реальный объект, ученые Уральского федерального университета выяснили, что работающая на космологическом уровне и популярная среди физиков теория гравитации (один из подклассов моделей Хорндески) является слабо применимой к реальному миру. Свои рассуждения они представили в журнале Classical and Quantum Gravity.

«На сегодняшний день черные дыры признаются существующими, а не гипотетическими объектами. Полученный в 2015 году и отмеченный Нобелевской премией по физике 2017 года гравитационно-волновой сигнал еще раз подтвердил данный факт. Черные дыры существуют, и это является одним из доказательств того, что общая теория относительности (ОТО) верна», — рассказали авторы исследования.

Однако в современной физике накопилось немало предпосылок к пересмотру ОТО, например, факт ускоренного расширения Вселенной, наличие темной материи и, наконец, невозможность прямого квантования гравитации. Все известные науке фундаментальные взаимодействия уже описаны на квантовом языке, кроме гравитации. Эти мелкие несоответствия указывают на то, что теория относительности является не окончательной теорией гравитации, а лишь одним из приближений к ней (аналогичная история произошла с теорией Ньютона). Физики-теоретики постоянно формулируют и предлагают расширенные теории гравитации, и эти модели надо проверять, сравнивать с наблюдениями, выдвигать критерии их истинности.

Один из простейших вариантов такой расширенной теории — предположение, что гравитационная постоянная (фундаментальная физическая величина, одинаковая во времени и во всех точках Вселенной) не константа, а поле, которое может меняться во времени и в пространстве. Ученые на современном уровне точности не могут измерить это медленно меняющееся поле и только поэтому воспринимают его как константу. Если допустить верность этой гипотезы, то возникает гравитация со скалярным (заданным в каждой точке только одним числом) полем. Так была сформулирована первая и простейшая теория гравитации со скалярным полем — теория Бранса — Дикке. Сегодня класс теорий гравитации со скалярным полем очень широк, подобные теории считаются одним из наиболее перспективных путей расширения ОТО.

В своей работе младший научный сотрудник УрФУ кандидат физико-математических наук Дарья Третьякова вместе с коллегой из Токийского университета работали с одной из теорий этого класса — так называемыми моделями Хорндески. Хорндески — наиболее общий возможный класс теорий гравитации со скалярным полем, где отсутствуют нестабильности и выходит «здоровая» физика, то есть не получается необычных параметров материи (например, отрицательной или мнимой массы).

На космологическом уровне (масштаб, на котором Вселенную можно рассматривать как единый объект исследования) модели этого класса, обладающие симметрией относительно сдвига в пространстве и времени скалярного поля, хорошо зарекомендовали себя, позволяя описать ускоренно расширяющуюся Вселенную без привлечения дополнительных теорий. Именно эти модели выбрали авторы для рассмотрения, поставив перед собой цель обеспечить их более строгую и разностороннюю проверку. Авторы статьи переместили модели Хорндески на астрофизический масштаб (масштаб отдельных объектов Вселенной) и установили, что черные дыры как реально существующие объекты в тех моделях, что ранее так успешно показали себя в космологии, оказываются нестабильны.

Следовательно, эти модели слабо пригодны для описания реальной Вселенной, ведь сегодня считается, что черные дыры существуют в космосе и являются вполне стабильными объектами. Тем не менее ситуация является поправимой: ученые предложили способ построения моделей Хорндески, обеспечивающий стабильность черных дыр в рамках таких теорий.

Сделан новый шаг в построении новой теории гравитации, отвечающей всем требованиям современной физики. Теперь авторы планируют подвергнуть вновь предложенные модели стандартным тестам: проверить адекватность на космологическом и астрофизическом масштабе.