Долой тёмную энергию?

Некоторое время назад внимание научной среды привлекала статья российского физика Николая Горькавого, в которой он подверг сомнению наличие во Вселенной так называемой темной энергии. Темная энергия — не найденная до сих пор субстанция, которая, как считается, отвечает за ускоренное разбегание Вселенной. В современной астрофизике концепция темной энергии является основной для объяснения ускоренного разлета Вселенной, многие астрофизики пытаются найти ее следы, под подобные проекты выделяются немалые деньги. Николай Горькавый, выпускник Челябинского государственного университета, а ныне директор, старший научный сотрудник частного Гринвичского научно-технологического института в штате Виргиния (США), в своей статье, опубликованной в журнале MNRAS, рассмотрел решение уравнений Эйнштейна для сжимающейся Вселенной и пришел к выводу, что благодаря уменьшению полной гравитационной массы за счет излучения гравитационных волн в подобной системе возникает отталкивающая сила, которая может превратить сжатие Вселенной в Большой взрыв.

Таким образом, поясняет автор, наблюдаемое ускоренное разбегание Вселенной можно объяснить, не привлекая таинственных субстанций вроде темной энергии.

«Это означает, что ускоренное расширение Вселенной связано не с современным состоянием, а с реликтовыми гравитационными полями, возникшими в процессе Большого сжатия», — пояснил автор в своем блоге, где и начались нешуточные споры сторонников и критиков работы.

«Газета.Ru» пообщалась с автором работы и взяла комментарий у его оппонента, чтобы понять, рано ли ученым хоронить темную энергию.

— Николай Николаевич, можно ли считать, что своим предположением вы хороните темную энергию? И каковы аргументы критиков вашей идеи?

— Полагаю, что да. В нашей работе показано, что когда Вселенная коллапсирует в компактный объем и перекачивает свою массу в гравитационное излучение, то возникает мощная отталкивающая, или антигравитирующая, сила с совершенно прозрачной физикой, которую может понять и школьник. Антигравитация ослабляется со временем, но остается таковой хоть через десять миллиардов лет, а это именно то, чего не хватало, чтобы объяснить ускоренное расширение Вселенной.

Это строгий результат общей теории относительности, который требует не вводить фантастические антигравитирующие субстанции, а строить космологические модели с учетом найденной эйнштейновской отталкивающей силы. Интересно, что причины возникшего искривления пространства, которое обуславливает наблюдаемое ускорение Вселенной, полностью отсутствуют в настоящее время. Представьте, что где-нибудь возле Австралии на пологой волне цунами скользят серферы. Вокруг нет ни урагана, ни шторма, а причиной волны является землетрясение, которое произошло давно и далеко где-нибудь возле Аляски. Так и нынешнее космологическое ускорение задано гравитационным полем, или, точнее, пространственно-временным искривлением, которое возникло при коллапсе Вселенной предыдущего цикла.

О критике. При обсуждении статьи высказывалась мысль, что наше решение нарушает теорему Биркгофа, которая запрещает существование нестационарного сферически-симметричного гравитационного поля. Но мы указали со ссылкой на известные работы, что в рассматриваемом случае присутствуют излучатели гравитационных волн, что сразу нарушает строгую сферическую симметрию и делает теорему Биркгофа неприменимой к нашему случаю. Честно говоря, не надеюсь на серьезную критику: против точного решения уравнений Эйнштейна возражать трудно, гораздо проще сделать вид, что ничего не произошло, и с упоением продолжать гнать статьи про темную энергию, которых сейчас публикуется более тысячи в год.

— Принципиальное условие для возникновения силы отталкивания — уменьшение гравитационной массы системы (в данном случае Вселенной). Масса уменьшается, потому что гравитационные волны уносят энергию, а E=m*c2. Но почему в данном случае эта формула не работает в обратную сторону и не позволяет посчитать «массу гравитационных волн»? Куда исчезает масса Вселенной?

— В знаменитом уравнении E=m*c2 стоит инертная масса. А в нашей работе рассматривается гравитационная масса. Если на инертную массу и на энергию накладываются жесткие условия типа законов сохранения, то никаких фундаментальных ограничений на переменность гравитационной массы нет. Мне уже не раз приходилось давать такие объяснения, и образованный слушатель в этом месте обычно возражает: точное равенство гравитационной и инертной массы доказано в экспериментах Этвеша и взято Эйнштейном в качестве основы своей теории как принцип эквивалентности. Приходится разъяснять тонкости: существует четыре вида массы — пассивная инертная и пассивная гравитационная, активная инертная и активная гравитационная.

Много? Сейчас сократим. Когда шарик падает на землю, то на него действует M1*g — гравитационная сила, в которой стоит пассивная массa m, которая реагирует на гравитацию. В ускорение g входит активная масса Земли, порождающая гравитацию. В силу инерции M2*a, которая действует на падающий шарик (ведь M2*a=M1*g), входит пассивная инертная масса. Эйнштейн взял экспериментально доказанное Этвешем равенство пассивной инертной и пассивной гравитационной массы (или равенство ускорения g= a*M2/M1 для всех рассмотренных тел из разных материалов) и отнес его к проявлению искривленности пространства, в котором самые разные тела движутся по одинаковым траекториям, как различные поезда по одним рельсам. Тем самым Эйнштейн, использовав равенство пассивной гравитационной и пассивной инертной масс, удалил из своей теории сами эти понятия, сделал их фиктивными. В ОТО остались только активные массы — инертная, входящая в E=m*c2, и гравитационная, которая служит источником искривленного пространства. При этом само гравитационное поле и гравитационные волны Эйнштейн не включал в источники искривленного пространства.

— В вашем сценарии Вселенная, начиная расширяться, в себе содержит только одну гигантскую черную дыру. Как это согласуется с представлениями о горячей Вселенной, подтверждаемыми теми же наблюдениями космического микроволнового фона? Как во Вселенной, в которой есть только черные дыры, возникло все остальное?

— Наша статья посвящена не космологии, а обсуждению отталкивающей силы в теории Эйнштейна. Но для примера мы использовали простейшую модель Вселенной, состоящую из черных дыр. Для получения более реалистичной модели надо включить в рассмотрение хотя бы электромагнитное излучение. Мы с моим соавтором Александром Васильковым, опытным теоретиком, окончившим МФТИ, который задает вопросы не в бровь, а в глаз, размышляем над такой моделью Вселенной. Если взять все кванты света, выпущенные звездами предыдущей Вселенной за десятки миллиардов лет, а потом сжать их в небольшой объем, то плотность энергии, которая растет как 1/R4, будет невероятной. Коллапсирующая Вселенная будет представлять собой сгусток гамма-квантов фантастической энергии, перемешанный с черными дырами. Когда суммарная масса черных дыр резко упадет и возникнет антигравитационное цунами, то этот сгусток электромагнитной энергии рванет во все стороны, увеличивая свою энергию еще и на антигравитационном потенциале.

Такой процесс будет выглядеть как большой взрыв. Но это мы с вами забрались в будущую статью.

— Получается ли в вашей теории описать существующее расширение (и его ускорение) Вселенной количественно? Можно ли что-то сказать о параметрах предыдущей Вселенной, необходимых для того импульса, который мы наблюдаем сегодня?

— В нашей статье не строится космологическая модель, в ней обсуждается более базисный уровень — наличие в теории тяготения Эйнштейна антигравитации. Уравнение Эйнштейна в приближении слабого поля имело два известных решения: гравитационные волны и ньютоновский закон притяжения для постоянной массы. Мы получили третье решение: закон гравитации для переменной массы, в котором нашлась антигравитация. Количественные оценки в применении к Вселенной показывают, что антигравитация может превосходить гравитацию даже для тех времен, когда Вселенная была очень сжата. Но количественная космологическая модель, учитывающая возможность антигравитации, еще не построена. О прошлом цикле пока можно сказать, что в конце сжатия предыдущей Вселенной черные дыры составляли значительную долю ее массы. Кроме того, там был мощный фон гравитационного излучения.

В статье высказывается предположение, что наша Вселенная может быть заполнена высокочастотным (например, гигагерцовым) гравитационным излучением, перешедшим из предыдущего цикла Вселенной. Велика ли энергия, которая содержится в этом излучении? Можем ли мы ее измерить? Надеюсь, что скоро мы узнаем ответы на эти вопросы и наконец-то поймем мир, в котором живем.

Я уверен, что на этом пути нас ждут удивительные открытия и сюрпризы. Возможно, практически полезные.

Павел Иванов — ведущий научный сотрудник астрокосмического центра Физического института им. П.Н. Лебедева РАН, доктор физико-математических наук:

— Павел Борисович, авторы этой работы претендуют на возможность решения проблемы темной энергии. Вы как специалист согласны, что полученный результат действительно можно так воспринимать?

— Я категорически с этим не согласен и считаю, что результат получен, во-первых, вследствие некорректного расчета и, во-вторых, с моей точки зрения, из гравитационных волн сделать что-то, что может являться кандидатом в темную энергию, в принципе невозможно. На это есть теорема: грубо говоря, чтобы некая субстанция вызывала расширение Вселенной с ускорением (что наблюдается сейчас), у нее должны быть необычные свойства. Во-первых, давление этой субстанции, которое имеет ту же размерность, что и плотность энергии, должно быть отрицательным и, взятое с отрицательным знаком, должно превышать плотность энергии, поделенную на три. Тогда нарушается так называемое сильное энергетическое условие. Различные скалярные поля, которые используются в космологии, этим условием обладают, а гравитационные волны, по крайней мере классические, — нет.

И что бы Горькавый ни вычислял, с моей точки зрения, эту теорему он нарушить не может.

Вторая часть критики основана на том, что расчет, проведенный автором, является некорректным. В нем не учтены члены того же порядка малости, как и член уравнения, который он интерпретировал как дающий эту антигравитацию. Это выражение неправильно, так как при его выводе не был учтен вклад самих гравитационных волн, которые излучает рассматриваемый им источник.

Есть строгая теорема: если мы рассматриваем пустое без материальных тел и гравволн пространство-время, которое обладает сферической симметрией, то ничего, кроме известного решения Шварцшильда, быть не может. Это и есть теорема Биркгофа.

И если вы хотите получить какую-то новую субстанцию, скажем антигравитацию, вы должны либо нарушить сферическую симметрию, либо пространство-время должно быть заполнено какой-то материей. У Горькавого роль этой материи играют оттекающие от источника гравитационные волны, которые сами по себе тоже могут тяготеть. Так вот вклад этих гравитационных волн в ускорение автор не подсчитал, учтя вклад лишь от самого их источника.

Можно показать, что вклад, который он учел, имеет тот же самый порядок малости, что и вклад от гравволн, который он не учел. Хотя, вообще говоря, это мое утверждение тоже надо доказывать, писать комментарии в тот же журнал и прочее.

И тут он прав, когда говорит: хочешь меня опровергнуть — пиши формулы.

— Как аргумент в свою пользу (чуть ли не основной) авторы говорят, что просто нашли решение уравнений Эйнштейна при определенных начальных условиях. С уравнениями ОТО действительно спорить сложно. Но можно ли здесь поспорить с постановкой задачи и интерпретацией полученного решения?

— То, что они нашли, не является точным решением. Там масса всяких приближений, в том числе, с моей точки зрения, неверных. Грубо говоря, он взял известное выражение для метрики на большом расстоянии от слабого источника гравитационного излучения и выписал один член, утверждая, что остальные несущественны в силу сферической симметрии. Сама задача с технической точки зрения решена неверно, ее надо решать по-новому, может, я этим займусь или другой человек обратит внимание на эту задачу.

— Но ведь в научном мире есть большое число защитников темной энергии, на ее поиск выделяются огромные деньги, вы допускаете, что этой субстанции может просто не оказаться и антигравитация может вытекать из уравнений Эйнштейна?

— Я верю в темную энергию, с моей точки зрения, ее существование — это надежный факт.

Такое возможно, но для этого надо модифицировать саму теорию гравитации. Собственно, это уже было сделано в модели Старобинского, и в ней есть расширение с ускорением — правда, на ранних этапах Вселенной.