Общая теория относительности не может объяснить Вселенную

Общая теория относительности Эйнштейна доминировала более века. Однако у нее есть теоретические недостатки. Это неудивительно: теория предсказывает свою собственную неудачу в пространственно-временных сингулярностях внутри черных дыр - и в самом Большом взрыве.

В отличие от физических теорий, описывающих три других фундаментальных взаимодействия в физике — электромагнитное, сильное и слабое ядерные взаимодействия, — общая теория относительности была проверена только в условиях слабой гравитации.

Отклонения силы тяжести от общей теории относительности, по мнению физиков-теоретиков, не исключаются и даже должны происходить.

Согласно Эйнштейну, наша Вселенная возникла в результате Большого взрыва. Другие сингулярности скрываются внутри черных дыр: пространство и время перестают там иметь значение, в то время как такие величины, как плотность энергии и давление, становятся бесконечными. Это свидетельствует о том, что теория Эйнштейна здесь терпит неудачу и должна быть заменена более фундаментальной.

Сингулярности пространства-времени должны быть разрешены с помощью квантовой механики. Квантовая физика опирается на две простые идеи: точечные частицы не имеют размера; и принцип неопределенности Гейзенберга, который гласит, что никогда нельзя знать значение определенных пар величин с абсолютной точностью — например, положение и скорость частицы. Это потому, что частицы следует рассматривать не как точки, а как волны; в малых масштабах они ведут себя как волны материи.

Этого достаточно, чтобы понять, что теория, охватывающая как общую теорию относительности, так и квантовую физику, должна быть свободна от подобных патологий. Однако все попытки объединить общую теорию относительности и квантовую физику обязательно вносят отклонения в теорию Эйнштейна.

Но на сегодняшний день теория Эйнштейна выдержала все проверки, точно предсказывая различные результаты - от прецессии орбиты Меркурия до существования гравитационных волн. Итак, где скрываются эти отклонения от общей теории относительности?

Столетие исследований дало нам стандартную космологическую модель, известную как Модель Лямбда-CDM (ΛCDM). Здесь Λ (лямбда) обозначает либо космологическую постоянную Эйнштейна, либо таинственную темную энергию с похожими свойствами. Но и модель ΛCDM является неполной и неудовлетворительной с теоретической точки зрения.

За последние пять лет она также столкнулась с серьезной проблематикой в наблюдениях. Постоянная Хаббла, которая определяет возраст и масштаб расстояний во Вселенной, может быть измерена в ранней Вселенной с использованием космического микроволнового фона, а в поздней Вселенной с использованием сверхновых в качестве стандартных свечей.

Эти два измерения дают несовместимые результаты. Что еще более важно, природа основных компонентов модели ΛCDM - темной энергии, темной материи и поля, управляющего ранней инфляцией Вселенной (очень короткий период чрезвычайно быстрого расширения, зарождающий семена галактик и галактических скоплений) — остается загадкой.

Модель ΛCDM, основанная на общей теории относительности, постулирует чрезвычайно экзотическую темную энергию с отрицательным давлением, пронизывающую Вселенную. Проблема в том, что эта темная энергия не имеет физического обоснования. Ее природа совершенно неизвестна, хотя было предложено множество моделей. 

Альтернативы теории Эйнштейна

Может ли быть так, что проблемы возникают из-за неправильных попыток подогнать космологические наблюдения под общую теорию относительности? Что таинственной темной энергии просто не существует?

Эта идея, впервые предложенная исследователями из Неаполитанского университета, приобрела огромную популярность. Но и лагерь сторонников темной энергии остается солидным.