Телепараллельная гравитация бросает вызов Альберту Эйнштейну
Мексиканский космолог считает, что нашла альтернативу общей теории относительности
В 1919 году во время солнечного затмения Артур Эддингтон наблюдал, как свет огибает Солнце, как и предсказывала общая теория относительности Альберта Эйнштейна.
Теория относительности и ее альтернативы
Теория относительности, согласно которой такие массивные объекты, как звезды, искривляют вокруг себя ткань пространства-времени, прошла ни одну точную проверку. Редкий год обходится без нового эксперимента или наблюдения, подтверждающих ОТО. Но есть одна загвоздка.
Невидимые субстанции, темная материя и темная энергия, составляют около 95% вещества Вселенной. Рабочее предположение состоит в том, что темная материя состоит из несветящихся элементарных частиц, а темная энергия - это энергия самого пространства.
Но также возможно, что это иллюзии, возникающие из-за того, что гравитация работает не так, как думал о ней Эйнштейн.
"Мы вызываем эти загадочные вещи, - говорит космолог Селия Эскамилья-Ривера. - Я глубоко убеждена, что нужны альтернативные теории гравитации".
Эскамилья-Ривера ищет другую, более полную теорию. На сегодня было выдвинуто огромное количество альтернатив общей теории относительности, от "телепараллельной гравитации" до "сложной квинтэссенции" и "космологии отрицательной массы", но они долгое время казались теоретическими фантазиями. Поскольку космологи не могут создать эксперименты, способные отличить эти теории от от теории относительности, идеи превратились в пыль.
По словам Эскамилльи-Риверы, ситуация начинает меняться в эру прецизионной космологии - области, одним из пионером которой она является. Точная космология объединяет большие и разнообразные массивы данных на основе новых статистических методов и машинного обучения.
"Благодаря этим данным можно открыть дверь и классифицировать все теории и сказать, какие из них работают, а какие нет", - говорит она.
Предлагаем интервью ph.d. Эскамилльи-Риверы, лпубликованного в издании Quantamagazine (с сокращениями)
Исследуя раннюю Вселенную и экстремальную среду черных дыр, Эскамилья-Ривера сделала вывод, что мы можем найти пробелы в общей теории относительности, которые освободят место для чего-то другого. Правда, такой подход не является общепринятым в среде космологов.
Общая теория относительности и выросшая из нее стандартная модель космологии так хорошо работают. Почему вы считаете, что нам нужно изменить или расширить понимание гравитации?
Проблема в том, что ОТО не является достаточно общей теорией. Если вы хотите объяснить темную энергию, эту невидимую энергию, которая, кажется, ускоряет расширение Вселенной, вам нужен дополнительный компонент в уравнении, - космологическая постоянная. Этот дополнительный компонент не существует в природе, и в общую теорию относительности его добавили искусственно.
Существует ли теория, которая естественным образом может продемонстрировать эффекты темной энергии, не прибегая к мистике? Вот почему я работаю над расширением теории или с модифицированными теориями гравитации.
Кроме темной энергии, какие еще загадки могут решить эти теории?
Общая теория относительности многое объясняет в природе, но она не поясняет, что произошло во время Большого взрыва или что происходит внутри черных дыр.
Сингулярность черной дыры математически очень похожа на сингулярность Большого взрыва - это точка, где нарушаются все известные законы физики.
Вопрос заключается в том, что если мы изменим или расширим ОТО, возможно, мы сможем объяснить эту причудливую точку, которая ломает все.
Общая теория относительности также не объясняет будущее Вселенной. Существуют интересные теории, утверждающие, что Вселенная снова разрушится в результате очередного Большого взрыва, называемого Большим кризисом Вселенной. Но мы этого не знаем, потому что ОТО неполна. Если мы найдем более полную теорию, то сможем получить ответы на подобные вопросы.
Все согласны с тем, что для описания черных дыр и Большого взрыва необходима фундаментальная квантовая теория гравитации. Обычно предполагается, что квантовая гравитация похожа на общую относительность во всей остальной Вселенной. Однако вы считаете, что другая теория будет работать лучше. Можете ли вы привести пример того, чем модифицированные теории отличаются от общей относительности?
Существуют скалярно-тензорные теории. Они более общие, чем общая теория относительности. Почему? Ну, ОТО описывает пространство-время с помощью математического объекта, называемого тензором.
В скалярно-тензорных теориях также есть объекты, называемые скалярами. Скаляр может быть чем-то физическим, например, массой или энергией, и он пронизывает все пространство-время.
Значит, он ведет себя примерно так же, как космологическая постоянная в общей теории относительности?
Именно так. За исключением того, что в скалярно-тензорную теорию вы ничего не добавляете, это вытекает из математики.
Впрочем, это не единственная альтернатива. В 1980-х годах произошел взрыв модифицированных теорий гравитации. Математически они они очень богаты, но при таком количестве теорий мы ограничены экспериментами и не в состоянии отличить их друг от друга.
Именно это привело вас в прецизионную космологию?
Когда я получила докторскую степень, 2014-й стал годом прецизионной космологии в Европе. Десять лет назад стандартным методом было взять телескоп и провести наблюдения; затем на основе полученных данных проверить свою теорию. Сейчас у нас много телескопов, собирающих данные разных типов из разных уголков Вселенной. С помощью машинного обучения, нейронных сетей и суперкомпьютеров мы их и обрабатываем. Что делает проверку теории более насыщенной.
Я была первой, кто опубликовал работу, где использовалось машинное обучение для изучения темной энергии в космологических моделях. Архитектура машинного обучения теперь может даже рассматривать большие наборы космологических данных и выводить теорию гравитации. Это новая эра.
Еще один новый способ проверить альтернативные теории - провести моделирование на суперкомпьютере. Вы можете управлять своей собственной вселенной и делать прогнозы о том, какая теория работает.
Когда, по вашему мнению, наблюдения начнут расходиться с общей теорией относительности?
Мы близки к этому. Я уверена, что недавно запущенный космический телескоп "Джеймс Уэбб" откроет новую дверь, которая приблизит нас к происхождению Вселенной. Мы увидим эпоху, когда водород и гелий сливаются, образуя первые галактики. Я подозреваю, что в этом случае общая теория относительности не будет работать, потому что энергия очень высока.
На какую альтернативную теорию вы бы поставили свои деньги?
Я бы поставила на телепараллельную гравитацию.
Чем она отличается от общей теории относительности?
В ОТО важным понятием является кривизна пространства-времени, которая говорит о распределении материи. Вы можете представить Солнце как большую массу, которую кладут на лист, затем этот лист начинает искривляться.
Эйнштейн сделал связь между материей и геометрией основой Вселенной. В условиях же телепараллельной гравитации Солнце формирует нечто похожее на торнадо. Поэтому вместо кривизны лист скручивается. Это называется кручением.
Телепараллельная гравитация на самом деле исходит из расчетов Эйнштейна в конце его жизни. Люди уже создавали новую математику, используя кручение. Эйнштейн увидел способ связать свою теорию, общую теорию относительности, с другой очень важной силой, электромагнетизмом. К сожалению, он не добился успеха, и его идея стала забываться.
Но некоторые теоретики продолжали работать над ней. Всего пару лет назад Джексон Леви Саид из Мальтийского университета обнаружил, что можно преобразовать язык телепараллельной гравитации в космологию - набор уравнений, связывающих все параметры, которые мы наблюдаем в природе, например, плотность материи.
Мы можем связать эту космологическую модель с экспериментами. Мы обнаружили, что уравнения соответствуют данным без ссылки на темную материю или темную энергию.
Какие существуют доказательства телепараллельной гравитации?
С математической точки зрения это очень элегантно. Но у нас пока нет экспериментов, доказывающих теорию, потому что на локальном уровне телепараллельная гравитация очень, очень похожа на общую относительность. Различия наблюдаются на примере ранней Вселенной и в ее далеком будущем.
Наблюдения ранней Вселенной с помощью аппарата "Джеймс Уэбб" станут первыми испытаниями телепараллельной гравитации. Если мы сможем объяснить образование первых галактик лучше, чем при помощи ОТО, это будет прекрасным тестом. Возможно, телепараллельная гравитация также сможет объяснить то, что мы видим на фотографиях черной дыры.
Вы имеете в виду недавние фотографии сверхмассивной черной дыры в галактике M87, сделанные телескопом Event Horizon Telescope. Что загадочного в этих фотографиях?
На одной из фотографий показаны магнитные поля вокруг черной дыры. Все линии поля следуют одному и тому же потоку; это очень элегантно. По этим линиям магнитного поля можно косвенно понять, что происходит внутри черной дыры. Она поглощает материю, которая находится рядом с ней, поэтому часть материи находится внутри горизонта событий, а часть - снаружи, и такое взаимодействие вызывает магнитное поле. Эти магнитные поля - самая сложная часть для понимания.
Одна из групп в рамках проекта "Горизонт событий" ищет решения в общей теории относительности. Но другая группа, в которую вхожу и я, идет другим путем, модифицируя и расширяя теорию гравитации.
Проблема в том, что для различения этих возможностей нам нужно больше данных. Сейчас идея состоит в том, чтобы снять фильм о черной дыре, чтобы увидеть ее эволюцию.
Возможно, это даст нам больше ограничений для теорий, которые мы хотим проверить.
Когда вы были ребенком, представляли ли вы, что в конце концов бросите вызов Эйнштейну?
Бросить вызов Эйнштейну? Возможно! Я думаю, это мечта любого ребенка, который хочет понять космос.
-
Новый омикронный подвариант вируса, вызывающего COVID-19, BA.2, быстро становится основным источником инфекций на фоне роста числа случаев заболевания во всем мире.
Иммунологи Пракаш Нагаркатти и Митци Нагаркатти из Университета Южной Каролины объясняют, чем он отличается от предыдущих вариантов, будет ли новый всплеск заболеваемости в США и как лучше всего защитить себя.
Что такое BA.2 и как он связан с Omicron?
BA.2 — это новейший субвариант Omicron, доминирующего штамма вируса SARS-CoV-2, который вызывает COVID-19. Хотя происхождение BA.2 до сих пор неясно, он быстро стал доминирующим штаммом во многих странах, включая Индию, Данию и Южную Африку. Он продолжает распространяться в Европе, Азии и многих других частях мира.
Вариант Omicron, официально известный как B.1.1.529, SARS-CoV-2 имеет в своей родословной три основных подварианта: BA.1, BA.2 и BA.3. Самый ранний из обнаруженных омикронных субвариантов, BA.1, был впервые зарегистрирован в ноябре 2021 года в Южной Африке.
Хотя ученые полагают, что все субварианты могли появиться примерно в одно и то же время, BA.1 был преимущественно ответственен за зимний всплеск инфекций в Северном полушарии в 2021 году.
Первый подвариант Omicron, BA.1, уникален по количеству изменений по сравнению с первоначальной версией вируса — он имеет более 30 мутаций в белке spike, который помогает ему проникать в клетки.
Мутации белка спайк вызывают серьезную озабоченность у ученых и чиновников здравоохранения, поскольку они влияют на то, насколько заразен данный вариант и способен ли он избежать защитных антител, которые вырабатывает организм после вакцинации или предшествующей инфекции COVID-19.
BA.2 имеет восемь уникальных мутаций, не встречающихся в BA.1, и не имеет 13 мутаций, которые есть в BA.1. Тем не менее, BA.2 имеет около 30 общих мутаций с BA.1. Из-за относительного генетического сходства он считается подвариантом Omicron, а не совершенно новым вариантом.
Почему его называют «стелс-вариантом»?
Некоторые ученые называют BA.2 «скрытым» вариантом, поскольку, в отличие от варианта BA.1, у него нет особой генетической сигнатуры, которая отличает его от варианта Delta.
Хотя стандартные тесты ПЦР все еще способны обнаружить вариант BA.2, они могут не отличить его от варианта Delta.
Является ли он более заразным и смертельным, чем другие варианты?
BA.2 считается более трансмиссивным, но не более вирулентным, чем BA.1. Это означает, что, хотя BA.2 может распространяться быстрее, чем BA.1, люди от него могут болеть не чаще.
Стоит отметить, что, хотя BA.1 доминирует по количеству случаев во всем мире, он вызывает менее тяжелые заболевания по сравнению с вариантом Delta. Недавние исследования, проведенные в Великобритании и Дании, показывают, что BA.2 может представлять такой же риск госпитализации, как и BA.1.
Обеспечивает ли предыдущая инфекция BA.1 защиту от BA.2?
Да! Недавнее исследование показало, что люди, ранее инфицированные оригинальным субвариантом BA.1, имеют надежную защиту от BA.2.
Поскольку BA.1 вызвал широкое распространение инфекции по всему миру, вполне вероятно, что значительный процент населения обладает защитным иммунитетом против BA.2. Именно поэтому некоторые ученые предсказывают, что вероятность того, что BA.2 вызовет еще одну крупную волну, будет ниже.
Однако если естественный иммунитет, приобретенный после заражения COVID-19, может обеспечить надежную защиту от повторного заражения более ранними вариантами, то против Omicron он ослабевает.
Насколько эффективны вакцины против BA.2?
Недавнее предварительное исследование, еще не прошедшее рецензирование, в котором приняли участие более 1 миллиона человек в Катаре, показало, что две дозы вакцин COVID-19 от Pfizer-BioNTech или Moderna защищают от симптоматической инфекции BA.1 и BA.2 в течение нескольких месяцев, а затем снижаются примерно до 10 процентов.
Однако повторная вакцинация смогла снова поднять уровень защиты почти до исходного.
Важно отметить, что обе вакцины на 70-80% эффективно предотвращали госпитализацию или смерть, и эта эффективность возрастала до более чем 90% после введения дополнительной дозы.
Насколько США следует беспокоиться по поводу BA.2?
Рост заболеваемости BA.2 в некоторых регионах мира, скорее всего, обусловлен сочетанием более высокой трансмиссивности вируса, ослаблением иммунитета людей и ослаблением ограничений на COVID-19.
Данные CDC свидетельствуют о том, что число случаев заболевания BA.2 неуклонно растет и по состоянию на начало марта составляет 23% от всех случаев в США. Ученые все еще спорят о том, вызовет ли BA.2 новый всплеск заболеваемости в США.
Хотя в ближайшие месяцы возможен рост числа случаев заражения вирусом BA.2, защитный иммунитет, полученный в результате вакцинации или предыдущей инфекции, обеспечивает защиту от тяжелого заболевания.
Это может снизить вероятность того, что BA.2 вызовет значительное увеличение числа госпитализаций и смертей. Однако США отстают от других стран, когда речь идет о вакцинации, и еще больше отстают в плане ревакцинации.
Произойдет ли еще один разрушительный всплеск, зависит от того, сколько людей вакцинированы или ранее были инфицированы BA.1.
Однако выработать иммунитет от вакцины гораздо безопаснее, чем от заражения инфекцией.
Прививка и вакцинация, а также меры предосторожности, такие как ношение маски N95 и социальная дистанцированность — лучшие способы защитить себя от BA.2 и других разновидностей.
Пракаш Нагаркатти, профессор патологии, микробиологии и иммунологии, Университет Южной Каролины и Митци Нагаркатти, профессор патологии, микробиологии и иммунологии, Университет Южной Каролины.
-
Когда на Земле зародилась жизнь, появилась и смерть. Примерно два миллиарда лет назад экстремальные бактерии зародились в остывшем первородном океане, на Земле без кислорода. Через сотни миллионов лет бактерии научились создавать колонии клеток и эволюционировали в примитивные водоросли. 540 миллионов лет назад мы видим Кембрийский взрыв жизни и первый взрыв смерти.
Экстремальные организмы которые жили без кислорода гибнут, новые формы жизни - медузы, черви и членистоногие заполняют кислородный океан. Этот миллиард живых существ тоже гибнет через 100 миллионов лет, когда взрыв сверхновой пронзает Землю смертельной радиацией. 75% жизни на планете умирает во второй раз.
Из 15% выживших появятся новые формы - растения на суше, затем рыбы выйдут на сушу. А 359 миллионов лет назад девонский период начнется тотальным вымиранием жизни в океане из-за насыщения воды кислородом по вине наземных растений. 80% живых подводного мира погибнет в 3-й раз.
Дальше суперконтинент Пангея наполнится рептилиями и первыми животными. Воздух, наполненный кислородом в 5 раз сильней, чем сейчас, породит гигантских насекомых. 251 миллион лет назад палеозойское вымирание закончится гибелью 92 % живых видов, в 4-й раз. Выбросы метана, супервулканы закроют Солнце, 2-й Ледниковый период оборвет яркую жизнь Палеозоя.
Выживут только рептилии, они породят динозавров и 250 миллионов лет назад начнется Мезозойская Эра. Через 200 миллионов лет Юкатанский метеорит уничтожит их в 5-е вымирание. Начнется Кайнозойская Эра млекопитающих и человека.
За всю историю Земли было 7 тотальных и небольших вымираний жизни. От маленьких бактерий до гигантских тираннозавров, живые становились мертвыми и опускались на дно океанов, смывались в океан дождями и реками с континентов. 2 миллиарда лет 7 раз живым не повезло, и они наполняли гигантское подводное кладбище Смерти.
Два миллиарда лет тысячи тонн морского ила закрывали миллиарды погибших плотной крышкой как цыпленка на плите. Тепло и беспощадное давление в тысячи тонн перемалывало кости, выдавливало из плоти кислород, азот, фосфор и серу. Павшие стали черным маслом углеводорода и газообразной смесью с водородом.
Наша смерть не конец эволюции, дорогой читатель. В конце пути все живые на Земле становятся нефтью. Ведь нефть - это и есть смерть. Триллионы баррелей смерти за 2 миллиарда лет жизни. Углеводород из погибших сформировал нефть и газ Земли. Но как со дна океанов нефть оказалась на суше? Просто планета делала свою работу.
Перерабатывая жизнь в смерть нефть, Земля перемещала нефть. Исчезали океаны, поднималось дно и становилось материком, суперконтиненты раскалывались. Америка становилась Сибирью, дно океана Сахарой. Гигантское яйцо под названием Земля переделывало скорлупу и перемещало нефть.
Мы до сих пор видим этот танец, дорогой читатель. Гигантское давление нефтяных скважин, все эти несгораемые нефтяные и газовые факела показывают процесс рождения нефти. История человечества - это лишь 10 тысяч лет. Восьмое вымирание жизни неизбежно, через миллионы лет человечество вернет планете изъятую нами нефть. Телами в вечном танце нефти и смерти...
Даже в сверхскоплении, галактик может быть только 100 тысяч. Звёзд же в крупной галактике — даже если пользоваться терминологией астрономов, именующих «звёздами» и кратные системы из нескольких светил, — не меньше 100 миллиардов. То есть, странно было бы, если бы облако газа, которому предстояло стать галактикой, сразу распалось бы на такую мелочь.
И оно это сделало не сразу. Было ещё промежуточное звено, — шаровые скопления. Ещё до начала звездообразования, галактическая туча развалилась на отдельные облака массой от тысячи до миллиона солнечных. Молодая галактика, если бы разрешение современных приборов позволяло различать детали объектов на расстоянии 10-11 миллиардов световых лет, выглядела бы как хоровод немногочисленных, несколько размытых, но колоссальных солнц. А на самом деле, плотных, сферических скоплений светил.
Шаровые скопления, в которых звёзды упакованы в 1000 раз плотнее (а в ядрах скоплений и в 100 тысяч раз плотнее), чем в окрестностях Солнца, существуют и сейчас. Более того, они составляют основное население гало — внешней, тусклой, сферической части, — нашей галактики. Но видно их уже плохо. Во внутренних областях и в галактическом диске шаровые скопления давно уже перемолоты взаимным гравитационным воздействием. На периферии же галактики быстро прекратились процессы звездообразования. Крупные звёзды в старых шаровых скоплениях прогорели. Остались только тусклые красные карлики.
...Ну, это если иметь в виду правило. Как исключение, шаровые скопления формируются и сейчас, когда остывшего газа в галактике набирается достаточно. В старых же скоплениях картину разнообразят голубые отставшие звёзды. Звучит название этих светил, конечно, так себе — двусмысленно, — но имеются в виду звёзды, возникшие в результате слияний. В ядре скопления имеется равная 1% на миллиард лет вероятность того, что звёзды столкнутся. Большей частью, впрочем, это происходит в уже кратных системах, орбита одной из компонент которой меняется под воздействием посторонних звёзд при сближениях.
Столкновения звёзд приводит к нагреву, увеличению массы, перемешиванию вещества, а значит и к резкому возрастанию интенсивности термоядерных реакций. Формально, звезда полученная из двух красных карликов, как правило, лишь третий красный карлик. Но благодаря полученным бонусам на некоторое время светимость становится весьма значительной.
Разнообразят уныние шаровых скоплений и поглощения неосторожных звёзд в аккреционных дисках чёрных дыр, в которые превратились массивные светила скопления ещё в эпоху молодости вселенной. А может быть, и чёрных дыр посерьёзнее — «средней массы». Наличие в скоплениях уменьшенного аналога центральной черной дыры галактики, впрочем, не доказано. Зато, белые карлики, образовавшиеся в скоплениях из звёзд солнечной массы, давно уже стали именно черными — остыли. Но при столкновениях могут оживать и они, вспыхивая, как сверхновые I типа.
То есть, уныния в шаровых скоплениях, на самом деле, нет. Зато в избытке присутствуют треш и угар. Наличие жизни в шаровых скоплениях представляется маловероятным по многим причинам, но в том числе и из-за частоты близких взрывов сверхновых и нестабильности орбит планет. Если в окрестностях Солнца звёзды сближаются раз в миллиард лет в среднем на тысячи астрономических единиц, то в скоплении за такой же срок вероятен пролёт одной звезды непосредственно сквозь систему другой. Кометы же, образующиеся из выброшенных на дальние орбиты при формировании планет осколков, а также часть мелких внешних ледяных тел, в таких условиях становятся общественной собственностью, и обречены на беспорядочное метание в гравитационной яме всего скопления.
...И, кстати, об удивительных чертах звёздного потока С-19, недавно обнаруженных обсерваторией Gemini. Поток — это тоже шаровое скопление, но уже разорванное, и вытянутое в плотный шлейф звёзд гравитацией галактики. Именно у звёзд этого потока отмечена рекордно малая — 0.05% — «металличность». То есть, содержание химических элементов тяжелее гелия. Как правило, она низка во всех шаровых скоплениях. Тяжёлые элементы обогащают галактический газ при взрывах сверхновых, и чем больше циклов переработки пройдено, тем выше будет концентрация металлов в звезде. Но шаровые скопления недостаточно массивны, чтобы удержать газ исторгнутый сверхновыми. Такое не всегда даже галактикам оказывается по силам. Как следствие, в шаровых скоплениях звездообразование прекращается, и металлы не накапливаются.
Но и при этом «шаровой нормой» являются 0.2%. Сверхмалая концентрация означает, что данное шаровое скопление образовалось досрочно. Прежде, чем по команде из ядра, мириадами звёзд вспыхнула вся галактика. По традиции, первые светила рождаются возле центральной сверхмассивной чёрной дыры, там где её усилиями газ плотность газа достигает максимума. Затем, почти одновременная детонация десятков миллионов массивных сверхновых разгоняет по галактике — тогда лишь скоплению облаков газа — ударную волну, уплотняя вещество и вызывая цепную реакцию рождения новых звёзд и, соответственно, мощных взрывов…
Вот. А скопление С-19, оказывается, тогда уже существовало. Оно видело ещё бушующий квазар на месте современного Стрельца-А.
Астрофизики не предполагали, что так можно было...