Происхождение Вселенной

Объединение взаимодействий

Наши теории реальности не согласуются друг с другом.

Гравитация – единственная сила в природе, которую не удается описать с помощью квантовой теории. Кроме того, любая попытка применить к ней квантовую теорию (т. е. представить ее в виде обмена частиц, называемых гравитонами, а не в виде искривлений пространства-времени, как об этом говорит общая теория относительности) разрывается в клочья из-за появления бесконтрольных бесконечностей, которые делают все вычисления бессмысленными. Это большая проблема для физиков. При взаимодействии элементарных частиц гравитация обычно так слаба, что ею смело можно пренебречь. Но в некоторых случаях взаимодействие элементарных частиц нужно рассматривать совместно с гравитацией: например, в черных дырах или на первых этапах рождения Вселенной в Большом взрыве. Без квантовой теории гравитации – первого шага на пути создания теории, объединяющей все взаимодействия, – наука не преодолеет непроницаемый барьер, мешающий нам достичь окончательного прозрения. Кроме того, любая теория квантовой гравитации потребует сломать связь между гравитационной и инертной массой, воплощенную в принципе эквивалентности, а это подрывает краеугольный камень современной физики.

Нейтрино

Могут ли нейтрино быть темной материей? Стандартная модель физики элементарных частиц говорит нам, что эти неуловимые частицы не имеют массы. Современные эксперименты свидетельствуют о том, что масса у них есть, но она мала, и это единственное противоречие с тем, что предсказывает стандартная модель. Но, по-видимому, этой массы все-таки недостаточно, чтобы объяснить существование темной материи, по крайней мере, пока не будет открыта новая разновидность так называемых стерильных нейтрино. Последние результаты, полученные спутником «Планк» и нейтринной антарктической обсерваторией «Ледяной куб», пока не подтверждают существования этого типа нейтрино.

Космологическая постоянная

Когда Эйнштейн создавал свою модель стационарной Вселенной (см. «Общая теория относительности» в разделе «Принципы» в этой главе), он ввел дополнительный член в уравнения общей теории относительности, чтобы уравновесить силу тяготения. Позже он назвал введение этой космологической постоянной своей «самой большой ошибкой». Слегка скорректированная космологическая постоянная могла бы объяснить темную энергию, но теоретически предсказанная величина получается больше экспериментально измеренной в 10¹²⁰ раз. Это, пожалуй, самое вопиющее численное несоответствие во всей физике.

Черные дыры

Черные дыры – это сверхплотные объекты, которые поглощают все, включая свет, пролетающий слишком близко от них. Они имеют различные размеры: сверхмассивные черные дыры затаились в самом центре большинства галактик, а черные дыры звездной массы образуются при коллапсе звезд, выработавших свой ресурс. Черные дыры были предсказаны общей теорией относительности, и они представляют собой места, где гравитация настолько сильна, что ею больше нельзя пренебрегать, рассматривая квантовые взаимодействия на малых масштабах. В настоящее время у нас нет никакого представления, что происходит на краю черной дыры или внутри нее.

Решения

Решение 1: Модифицированная теория гравитации

Наши теории гравитации прошли проверку лишь на малых масштабах.

Общая теория относительности – чрезвычайно точная теория гравитации, по крайней мере, насколько мы способны об этом судить. Но, возможно, модифицированная теория сможет изгнать некоторых космических демонов?

Предсказания общей теории относительности по поводу движения космических зондов и планет точны в масштабе солнечной системы. Недавнее открытие гравитационных волн показывает, что общая теория относительности также правильно описывает процесс слияния двух черных дыр, вращающихся вокруг друг друга. Но по космическим стандартам в двойной системе черных дыр огромное количество массы спрессовано в относительно малом пространстве. Что происходит с гравитацией в тех средах, где напряженность гравитационного поля слабее?

Измененная версия теории гравитации, названная модифицированной ньютоновской динамикой, может объяснить аномальное вращение галактик, которое принято считать свидетельством существования темной материи, но в каком направлении производить эту модификацию – пока неизвестно. Согласно гравитационной гипотезе DGP, названной по имени предложивших ее ученых (Двали, Габададзе, Поррати), гравитация может «просачиваться» из нашего четырехмерного пространства в объем большего числа измерений, постепенно ослабляя свое действие с течением времени. Отсюда – иллюзия существования темной энергии. Однако эта гипотеза еще требует своего экспериментального подтверждения.

Решение 2: Суперсимметрия

Новые частицы помогут нам понять, почему мы видим мир таким, какой он есть.