Архивите на Айнщайн крият отговора на загадката на тъмната материя

Космолози от цял свят се опитват да разгадаят три големи загадки на съвременната физика. Първата е тъмната материя, която беше въведена, за да обясни твърде бързото движение на звездите и галактиките. Втората е тъмната енергия, която обяснява неочакваното ускоряване на разширяването на Вселената. Третият проблем е наречен „напрежението на Хъбъл“ – учените не могат да постигнат съгласие относно точната скорост, с която в момента се разширява космосът.

В основата на съвременната космология е общата теория на относителността на Айнщайн.

Тя се основава на концепцията за единно четириизмерно пространство-време. Масивните обекти огъват този континуум, създавайки това, което възприемаме като гравитация. Представете си опънат плат – ако поставите върху него тежка топка, платът ще увисне. По подобен начин небесните тела деформират геометрията на реалността.

Общата теория на относителността обаче не може да обясни някои явления. Галактиките се въртят толкова бързо, че би трябвало да са разкъсани от центробежната сила, ако се разглежда само видимата материя. За да решат проблема, физиците изказват хипотезата за съществуването на невидима субстанция – тъмна материя, чиято гравитация предпазва звездните системи от разпадане.

През 1928 година Айнщайн предлага алтернативен възглед за природата на гравитацията. Вдъхновен от работата на Джеймс Максуел, който в началото на 60-те години на 19-и век успява да опише електричеството, магнетизма и светлината като проявления на едно-единствено електромагнитно поле, великият физик се опитва да създаде единна теория на основните сили на природата.

Телепаралелната теория описва взаимодействието на материята и енергията по коренно различен начин. В този модел масивните тела не огъват тъканта на Вселената, а я усукват, както водата се усуква във водовъртеж. Получените „гравитационни вихри“ се разпространяват във всички посоки, определяйки движението на околните обекти.

От математическа гледна точка новият подход се оказва много по-сложен от първоначалната теория. В уравненията се появиха специални обекти – тетради, описващи локално усукване във всяка точка. Този формализъм осигурил по-голяма гъвкавост, но значително усложнил изчисленията и проверката на хипотези.

След смъртта на създателя алтернативната концепция била практически забравена. Изследователите се съсредоточили върху изучаването на квантовия свят – област, в която класическата физика не работи и обичайните представи за пространство и време губят смисъл. Само неколцина ентусиасти продължили да изучават оригиналните идеи на Айнщайн.

След като се отказват от амбициозната цел да обединят гравитацията с електромагнетизма, теоретиците откриват изненадващ факт: когато описва чисто гравитационни ефекти, новият модел дава същите резултати като общата теория на относителността. От математическа гледна точка се оказа, че няма значение дали вярваме, че масивните тела изкривяват или усукват околното пространство – крайните прогнози съвпадат.

През август 2017 година международно сътрудничество регистрира историческо събитие – сливането на две неутронни звезди. Детекторите LIGO и Virgo уловиха флуктуации в пространството от това катаклизмично събитие, а десетки телескопи наблюдаваха мощен изблик на радиация. Сигналите от събитието, което се е случило в галактиката NGC 4993 на 130 милиона светлинни години от нас, са достигнали до Земята почти едновременно – само с три секунди разлика.

Това откритие нанесе съкрушителен удар на много нестандартни теории за гравитацията. Според техните предвиждания гравитационните вълни трябваше да се разпространяват по-бавно от светлината, а разликата във времето на пристигане на сигналите да е часове или дори дни.

Сложният математически апарат на новата теория позволява да се погледне по различен начин на загадките на космологията. Учените могат да включат в уравненията допълнителни променливи, които отчитат начина, по който се усуква пространството. Ако тези параметри са правилно настроени, теорията може да обясни това, което наблюдаваме без да включва хипотетичните тъмна материя и тъмна енергия.

Математическата сложност обаче създава сериозни пречки. На младите физици им трябват години, за да усвоят необходимите инструменти. Проверката на теоретичните прогнози също е трудна – тромавите уравнения трябва да се решават числено с помощта на компютри, което увеличава вероятността от грешки.

Абстрактният характер на формализма създава допълнителни дилеми. Не винаги е възможно да се установи ясна връзка между математическите конструкции и реалните физически процеси. Понякога елегантните на хартия решения водят до безсмислени резултати – безкрайни енергии или нарушаване на причинно-следствената връзка.

Съвременните изследвания на алтернативната теория се развиват в две основни направления. В първото се изучават нейните фундаментални свойства – поведението на черните дупки, еволюцията на Вселената при Големия взрив, разпространението на гравитационните вълни. Специалистите проверяват съответствието на теоретичните изводи с астрономическите наблюдения.

Във второто направление новият подход се прилага към нерешени проблеми на космологията.

Физиците разработват модифицирани версии на концепцията, които могат да обяснят ускореното разширяване на Космоса без тъмна енергия или да премахнат необходимостта от невидима материя. Някои се надяват, че допълнителната математическа свобода ще помогне за разрешаването на напрежението на Хъбъл.

През последните десетилетия изследователите са предложили много варианти на теорията за гравитацията. Използвайки модифицирана Нютонова динамика, те се опитваха да обяснят движението на галактиките без тъмна материя, но в крайна сметка нейното присъствие все пак беше необходимо в определени случаи. Концепцията за „времевия пейзаж“ свързваше ускореното разширяване на Вселената с гигантски космически празнини, но изискваните им размери противоречат на реалните данни.

Така че може би решението на загадките на тъмната материя и тъмната енергия не се крие в изобретяването на нови същности, а в преразглеждането на основните принципи на гравитацията. Една забравена от десетилетия концепция може да се окаже липсващото звено, което да свърже в едно цяло разнородните парчета на космологичния пъзел.