Физики предложили отменить фундаментальные законы сохранения энергии и импульса

11.01.17 | 17:10

Предполагается, что это позволит решить проблему тёмной энергии, до сих пор не имеющую общепризнанного научного объяснения.
Три физика-теоретика из Франции и Мексики предположили, что в нашей Вселенной действует так называемая унимодулярная гравитация — ранний вариант гравитации, некогда предложенный Альбертом Эйнштейном и позднее отвергнутый из-за того, что при нём не работают законы сохранения энергии и импульса. О новой гипотезе пишет новостной раздел сайта Science.

В современной физике существует большая и трудно разрешимая проблема, известная как "проблема космологической постоянной". С конца 90-х годов стало известно, что Вселенная расширяется с ускорением. Это довольно неприятный факт, поскольку достоверно известные физике силы не могут обеспечить её расширения с ускорением. В теории кандидатом на эту роль, силой, "расталкивающей Вселенную", могло бы стать влияние физического вакуума. По современным представлением, в пустоте постоянно возникают и почти сразу же исчезают частицы (нулевая энергия вакуума).

Влияние так называемой нулевой энергии на метрику пространства-времени в теории лучше всего подходит на роль космологической постоянной — по расчётам оно должно заставлять Вселенную расширяться с ускорением. Однако из уравнений теории относительности величина такой постоянной получается на 120 порядков больше, чем реальная космологическая постоянная, полученная по данным астрономов, измеривших скорость расширения Вселенной. Это создаёт огромную теоретическую проблему. Неизвестно, почему космологическая постоянная, вопреки расчётам, настолько мала.

Чтобы решить её, три теоретика предложили принять за действующую модель гравитации во Вселенной унимодулярную гравитацию. В принятой сейчас модели гравитации, уравнения, описывающие физические явления в различных системах координат, должны иметь строго одинаковую форму. Унимодулярная гравитация требует этого в меньшей степени, чем принятая сегодня модель. При этом она также не требует строгого соблюдении закона сохранения энергии и закона сохранения импульса. Благодаря тому, что энергия не сохраняется, авторы получают наблюдаемую слабую космологическую постоянную просто за счёт того, что со временем энергия из Вселенной исчезает, попутно уменьшая космологическую константу. В таком варианте предсказания общей теории относительности сходятся с наблюдаемой космологической константой.

Предложенная идея довольно остроумна и уже привлекла внимание теоретиков по всему миру. В частности, известный физик Ли Смолин находит её весьма многообещающей, поскольку она может примирить наблюдаемое расхождение между квантовомеханическими явлениями и наблюдаемой космологией Вселенной. Однако далеко не все относятся к новой идее также хорошо. Во-первых, она одновременно сообщает о несоблюдении законов сохранения энергии и импульса. Первое само по себе не новость — факт ускоряющегося расширения Вселенной в ряде популярных физических моделей тоже не объяснить без нарушения закона сохранения энергии. Но закон сохранения импульса до сих пор в общепринятых физических теориях не нарушался. Многие физики будут рассматривать такое нарушение как сомнительное, с порога снижающее доверие к любой теории.

Во-вторых, новую гипотезу довольно трудно проверить. По ней получается, что нарушение закона сохранения энергии и импульса очень слабое — в экспериментах поставленных на Земле зарегистрировать "утечку" не выйдет. Она может стать заметной лишь через миллиарды лет и на огромных масштабах (во Вселенной в целом). Практически непроверяемые теории традиционно не пользуются любовью в среде физиков. Дело в том, что их можно создать довольно много (так и было в теории струн, например), но выяснить какая именно верна нельзя, что с точки зрения научного знания неприемлемо.

В-третьих, как отмечает Антонио Падийя (Antonio Padilla) из Ноттингемского университета, даже в модели с несохранением энергии во Вселенной, всё равно надо начинать расчёты с каким-то малым значением космологической постоянной — причём новая гипотеза это малое значение опять не объясняет. Конечно, это не первый случай в физике — скорость света также не имеет какого-то объяснения, и не из чего не выводится. Поэтому её просто берут за константу, не пытаясь понять, откуда взялось её конкретное значение в примерно 300 000 километров в секунду. Однако переход к унимодулярной модели гравитации — довольно крупный шаг для физики, и предпринимать его, не дав попутно объяснения природе космологической постоянной, психологически будет очень трудно.

Впрочем, такой переход — не единственное возможное решение проблемы тёмной энергии. Как уже отмечал Лайф, существуют и более тривиальные теории российских физиков, объясняющих ускоренное расширение Вселенной без тёмной энергии, без каких-либо модификаций общей теории относительности, принятой модели гравитации, а равно и без отмены закона сохранения энергии и импульса.

LIFE