Ученые из УрФУ обнаружили изъяны в популярных теориях гравитации

Сотрудник Уральского Федерального университета и ее коллега из Токийского университета предложили новый способ построения моделей проявления черных дыр.

Как рассказали в университете, исследователи в публикации журнала Classical and Quantum Gravity выяснили, что работающая на космологическом уровне и популярная среди физиков теория гравитации является слабо применимой к реальному миру.

На сегодняшний день, по мнению авторов статьи, черные дыры признаются существующими, а не гипотетическими объектами. Полученный в 2015 году и отмеченный Нобелевской премией по физике 2017 года гравитационно-волновой сигнал еще раз подтвердил данный факт. Черные дыры существуют, и это является одним из доказательств того, что общая теория относительности (ОТО) верна.

Однако в современной физике накопилось немало предпосылок к пересмотру ОТО, например, факт ускоренного расширения Вселенной, наличие темной материи и, наконец, невозможность прямого квантования гравитации. Эти мелкие несоответствия указывают, что теория относительности является не окончательной теорией гравитации, а лишь одним из приближений к ней (аналогичная история произошла с теорией Ньютона).

Один из простейших вариантов такой расширенной теории — предположение, что гравитационная постоянная (фундаментальная физическая величина, одинаковая во времени и во всех точках Вселенной) — 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 своей работе младший научный сотрудник УрФУ, кандидат физико-математических наук Дарья Третьякова вместе с коллегой из Токийского университета работали с одной из теорий этого класса — так называемыми моделями Хорндески. Это наиболее общий возможный класс теорий гравитации со скалярным полем, где отсутствуют нестабильности и выходит «здоровая» физика, то есть не получается необычных параметров материи (например, отрицательной или мнимой массы).

Авторы статьи «переместили» модели Хорндески на астрофизический масштаб (масштаб отдельных объектов Вселенной) и установили, что черные дыры в тех моделях, что ранее так успешно показали себя в космологии, оказываются нестабильны.

Следовательно, эти модели слабо пригодны для описания реальной Вселенной, ведь сегодня считается, что черные дыры существуют в космосе и являются вполне стабильными объектами. Ситуация, тем не менее, является поправимой: ученые предложили способ построения моделей Хорндески, обеспечивающий стабильность черных дыр в рамках таких теорий.

«Сделан новый шаг в построении новой теории гравитации, отвечающей всем требованиям современной физики. Теперь авторы планируют подвергнуть вновь предложенные модели стандартным тестам: проверить адекватность на космологическом и астрофизическом масштабе», – подчеркнули в пресс–службе вуза.

Изображение: Wikimedia Commons