Происхождение Вселенной

Один из способов опровергнуть принцип эквивалентности Эйнштейна – попытаться доказать, что две массы на самом деле не эквивалентны, а просто очень-очень близки. Даже мельчайшая разница между ними будет означать, что общая теория относительности построена на зыбкой основе и что должна существовать более глубокая и точная теория.

До сих пор эксперименты, проводимые с атомами рубидия и калия в свободном падении в «Башне падения» Бременского университета, не показали отклонений от принципа эквивалентности. Было найдено, что атомы падают с одинаковыми скоростями с точностью до 11-го знака после запятой. Между тем в Вашингтонском университете в Сиэтле Эрик Адельбергер и его группа Йот-Вош (Eöt-Wash) используют высокотехнологичную установку – торсионные весы, чтобы сравнить движения стандартных масс, сделанных из различных элементов, включая медь, бериллий, алюминий и кремний. Они установили рекорд точности в своих экспериментах: принцип эквивалентности не нарушался с точностью до 13-го знака после запятой. Запущенный французскими учеными в апреле 2016 года космический аппарат MICROSCOPE (Micro-Satellite a traînée Compensée pour l’Observation du Principe d’Equivalence) тестирует движения платиновой и иридиевой масс в условиях микрогравитации в космическом пространстве.

В то же время теоретики решили потянуть за другую веревочку. Они заявили, что никто до сих пор не сумел убедительно объяснить, что такое инерция. Одно мы знаем наверняка: инерцию нельзя полностью объяснить полем Хиггса. Хотя поле Хиггса предположительно обеспечивает массами фундаментальные частицы, такие как электроны и кварки, при объединении кварков в более тяжелые частицы, а именно протоны и нейтроны, которые составляют большую часть нормального вещества, получается масса примерно в тысячу раз больше суммарной массы составляющих кварков. Эта дополнительная масса обеспечивается не механизмом Хиггса, а энергией, требуемой для того, чтобы удерживать кварки рядом друг с другом. Каким-то образом эти два эффекта должны объединиться и найти себе точку опоры, чтобы создать у тела свойство сопротивляться ускорению.

Ускоряющийся наблюдатель

И что же далее? Наверное, все это можно соотнести с феноменом, о котором в 1970-е годы заявили канадский физик Уильям Унру и другие ученые. Объединив идеи относительности и квантовой механики, они пришли к выводу, что наблюдатель, движущийся с ускорением, должен видеть излучение, исходящее из вакуума.

Астрофизик Бернард Хайш из Института внеземной физики имени Макса Планка в Гархинге (Германия) и инженер-электротехник Альфонсо Руэда из Университета штата Калифорния в Лонг Бич (США) поняли, что вакуум взаимодействует с ускоряющимся телом во всем его объеме. Это может породить силу, которая действует в направлении, противоположном движению тела. Они сравнили этот эффект с тем, который возникает при движении заряженных частиц в магнитном поле, когда возникает сила, действующая на движение этих частиц, – сила Лоренца. В нашем случае имеют место электромагнитные взаимодействия с квантовым вакуумом.

Майк Маккаллох из Плимутского университета (Великобритания) полагает, что такие взаимодействия – именно то, что нужно для того, чтобы разрушить принцип эквивалентности. Излучение Унру должно обладать спектром с широким диапазоном длин волн. Для очень маленьких ускорений будет преобладать длинноволновое излучение. Сделайте ускорение действительно очень маленьким, и некоторые волны станут длиннее размера наблюдаемой Вселенной и будут эффективно обрезаться. В соответствии с вычислениями Маккаллоха, проведенными им в 2007 году, полное количество излучения Унру, воспринимаемого телом, будет падать, в результате чего тело будет испытывать меньшую силу противодействия. Таким образом, инерция тела будет уменьшаться, облегчая его движение по сравнению с тем, что предписывается стандартными законами движения Ньютона. Соответственно, связь с гравитационной массой будет ослабевать.

Аномальные движения

Сложность этой идеи заключается в том, что ее трудно проверить. В окрестности Земли с ее сильным полем тяготения не так-то легко воспроизвести малые ускорения, нужные для наблюдения такого эффекта. Однако во Вселенной есть места, где можно увидеть действие малых ускорений, а именно в среде с низкой гравитацией, например на краю галактики. И действительно, рассматривая аномальные движения в большинстве спиральных галактик, Маккаллох предположил, что этот механизм может также объяснить еще одну загадку, терзающую умы астрофизиков – тайну темной материи.