|
Привязка теории к практике при поиске темной энергии
|
|
|
|
Наука - это история о том, как мы придумываем теории, а затем делаем все возможное, чтобы их опровергнуть. Это особенно верно для теорий грандиозного космологического масштаба, хотя опровергнуть их может быть особенно сложно.
|
|
|
|
Одним из самых известных примеров трудно опровергаемой теории является теория темной энергии и темной материи. На больших участках космоса мы видим недвусмысленные доказательства того, что что-то не так с общей теорией относительности. Но в масштабах нашей собственной солнечной системы нет никаких свидетельств этого, по крайней мере, насколько мы можем видеть.
|
|
|
|
В новой статье, опубликованной на сервере препринтов arXiv Славой Турышевым, физиком из Лаборатории реактивного движения НАСА, обсуждается способ, с помощью которого ученые могли бы устранить это несоответствие — проявляя большую избирательность при проведении тестов на наличие темной материи и энергии в нашей Солнечной системе.
|
|
|
|
Фундаментальная проблема, которую пытается решить эта статья, - это "большой разрыв" между физикой, которую мы наблюдаем в космологии, и тем, что мы наблюдаем в нашей собственной солнечной системе. В областях с низкой плотностью вещества или вообще без него (т.е. без гравитационной силы) эффекты темной энергии и модифицированной гравитации, которые не подчиняются общей теории относительности Эйнштейна, наиболее очевидны. Однако в областях, где много материи и, следовательно, большая гравитация, это несоответствие полностью исчезает, по крайней мере, с помощью инструментов, которые мы в настоящее время используем для его наблюдения.
|
|
|
|
|
|
|
Орбиты планет соответствуют ожиданиям. Кривая пространства-времени вокруг Солнца, полученная по радиосигналам от зондов, которые мы посылаем туда, соответствует предсказаниям. Все зонды, которые мы отправили по всей Солнечной системе, действуют так, как будто на них действуют обычные законы общей теории относительности и гравитации. Нет никаких свидетельств того, что что-то изменилось.
|
|
|
|
Но в более крупных масштабах, например, между галактиками, эти свидетельства трудно не заметить. Сама Вселенная, по-видимому, расширяется, и хотя ведутся некоторые споры о том, насколько быстро это происходит, в настоящее время у нас нет другого способа описать это, кроме как сказать, что что-то мешает нашему пониманию либо теории относительности, либо самой гравитации.
|
|
|
|
Физики полагают, что это может быть как-то связано с процессом "скрининга", когда все, что вызывает это несоответствие, меняет свои физические свойства, когда попадает в области с повышенной плотностью. Существуют две основные категории моделей "скрининга". Одна из них известна как модель "хамелеона", в которой теоретическая пятая сила природы (помимо гравитации, электромагнетизма и двух ядерных взаимодействий) изменяет свое действие независимо от того, присутствует ли вокруг большое количество другой материи или нет.
|
|
|
|
В больших областях с низкой плотностью оно очень сильное и вызывает эффект, который мы в настоящее время связываем с темной энергией. Но в областях с высокой плотностью оно необычайно слабое, до такой степени, что его практически невозможно обнаружить современными приборами, хотя оно все еще присутствует. В средах с высокой плотностью, таких как солнце, это может быть заметно только в "тонкой оболочке" вокруг объекта, но, по крайней мере, теоретически, там это все равно можно было бы обнаружить.
|
|
|
|
Альтернативной моделью для устранения этого несоответствия является модель экранирования Вайнштейна. В этом случае вместо того, чтобы сила притяжения сама по себе меняла свои свойства, она, по сути, парализована гравитацией, окружающей массивные объекты, что делает ее слабой, но на самом деле не меняет ее собственных физических свойств. В этой модели есть идея, называемая радиусом Вайнштейна, при которой пятая сила возвращается в нормальное состояние вне воздействия массивного объекта.
|
|
|
|
Однако для нашего солнца его радиус Вайнштейна оценивается в 400 световых лет, то есть в область, которая включает в себя множество других звезд, так что, по сути, пятое взаимодействие будет полностью подавлено до тех пор, пока вы не достигнете некоторого расстояния за краем галактики.
|
|
|
|
Каждая из этих моделей будет иметь "подсказки" в наборах данных, собранных крупными космологическими миссиями, такими как Euclid и спектроскопический прибор темной энергии (DESI). Однако, поскольку они рассматривают только далекий космос и большое количество галактик, они не смогли бы доказать, как изменится пятая сила при взаимодействии только с объектами Солнечной системы. Для этого потребовалась бы конкретная миссия в Солнечной системе и, что более важно, фальсифицируемая теория, которая позволяла бы предсказать, что должна увидеть эта миссия.
|
|
|
|
По словам доктора Турышева, без теоретической поддержки фальсифицируемой теории нет смысла продолжать проводить эксперименты в нашей собственной солнечной системе — мы уже доказали, что все наши усилия не в состоянии обнаружить ничего, выходящего за рамки общей теории относительности. Но если теоретики смогут экстраполировать проверяемые гипотезы на основе данных, собранных в ходе крупных космологических исследований, которые могут быть проверены в Солнечной системе, то нам следует разработать миссию для этого.
|
|
|
|
Следует признать, что может пройти некоторое время, прежде чем мы сможем разработать приборы, достаточно чувствительные, чтобы опровергнуть эту теорию. Итак, если мы пока не в состоянии этого сделать, то нам следует сосредоточиться на миссиях по постепенной разработке этих приборов. Но если существует проверяемая гипотеза, основанная на "намеках" космологических исследований, которые могут быть опровергнуты экспериментом, который мы действительно можем провести, то мы должны это сделать — и потенциально фундаментально изменить наше понимание того, как устроена Вселенная.
|
|
|
|
Источник
|
