Физики обнаружили изъяны в популярных теориях гравитации

Популярная среди физиков теория гравитации слабо применима к реальному миру. Астрономы пришли к такому выводу, рассмотрев, что происходит в непосредственной близости от черных дыр. Также исследователи предложили новый способ построения моделей черных дыр. Свои рассуждения сотрудница Уральского федерального университета имени первого Президента России Б.Н. Ельцина (УрФУ) и ее коллега из Токийского университета представили в журнале Classical and Quantum Gravity.

На сегодняшний день большинство ученых считает, что черные дыры — это реальные объекты, а не только математические решения уравнений общей теории относительности. Однако в современной физике накопилось немало предпосылок к пересмотру этой теории. Все известные науке фундаментальные взаимодействия уже описаны на «квантовом языке», кроме гравитации. Эти несоответствия указывают на то, что теория относительности лишь одно из приближений к окончательной теории гравитации.

Один из простейших вариантов такой расширенной теории — предположение, что входящая в уравнения гравитационная постоянная — не константа, а поле, которое может меняться во времени и в пространстве. Ученые на современном уровне точности не могут измерить это медленно меняющееся поле и только поэтому воспринимают его как константу. Если принять эту гипотезу, то возникает гравитация со скалярным (заданным в каждой точке только одним числом) полем. Так была сформулирована первая и простейшая теория гравитации со скалярным полем — теория Бранса — Дикке. Сегодня класс теорий гравитации со скалярным полем очень широк, такие теории считаются одним из наиболее перспективных путей расширения ОТО.

В новой работе Дарья Третьякова из УрФУ вместе с коллегой из Токийского университета исследовали одну из теорий этого класса — так называемую модель Хорндески. Хорндески — наиболее общий возможный класс теорий гравитации со скалярным полем, где отсутствуют нестабильности, то есть не получается необычных параметров материи (например, отрицательной или мнимой массы).

На космологическом уровне (масштаб, на котором Вселенную можно рассматривать как единый объект исследования) модели этого класса, обладающие симметрией относительно сдвига в пространстве и времени скалярного поля, хорошо зарекомендовали себя, позволяя описать ускоренно расширяющуюся Вселенную без привлечения дополнительных теорий. Авторы решили более строго и разносторонне проверить эти модели. Астрономы изучили модели Хорндески на астрофизическом масштабе отдельных космических объектов и установили, что черные дыры в успешно зарекомендовавших себя в космологии моделях оказываются нестабильны.

Эти модели слабо пригодны для описания реальной Вселенной, ведь сегодня считается, что черные дыры существуют и, напротив, вполне стабильны. Ситуация, тем не менее, поправима: ученые предложили способ построения моделей Хорндески, обеспечивающий стабильность черных дыр в рамках таких теорий. Теперь авторы планируют подвергнуть вновь предложенные модели стандартным тестам: проверить адекватность на космологическом и астрофизическом масштабах.

Пресс-релизы о научных исследованиях, информацию о последних вышедших научных статьях и анонсы конференций, а также данные о выигранных грантах и премиях присылайте на адрес science@indicator.ru.