Альберт Эйнштейн записал себе на счет еще одно очко в споре со все еще живыми противниками теории относительности. Его общая теория относительности оказалась необычайно точна в предсказании того, как свет путешествует от самых удаленных галактических кластеров во Вселенной. К такому выводу пришли ученые, измерения которых опубликованы в последнем номере Nature.

Правда, новые данные не опровергают альтернативную теорию гравитации, разработанную для того, чтобы удалить из современной физики темную энергию, которая в данный момент считается причиной ускоряющегося расширения Вселенной (во всяком случае, такой трактовки придерживается большинство физиков).

Новые измерения были получены при исследовании света, источники которого – сотни тысяч далеких галактик. Общая теория относительности предсказывает, что длина волны этого света должна немного смещаться из-за массы галактик. Это явление носит название гравитационного красного смещения.

Этот эффект очень трудно измерить, поскольку это наименьший по величине из трех типов красного смещения (точнее, трех причин красного смещения). Смещение также может быть вызвано движением галактик и расширением Вселенной как целого. Для того, что различить все эти причины, ученые использовали большое количество галактик, представленных в Слоановском цифровом обзоре неба. Это позволило провести статистическое исследование.

Те значения красного смещения, которые были вызваны гравитацией, очень точно совпали со значениями, предсказываемыми теорией относительности.

«Мы имеем независимые измерения масс кластеров, так что мы можем рассчитать красное смещение, вызванное ими, согласно общей теории относительности, – говорит Радослав Войтак, физик из Университета Копенгагена. – Это вычисление точно совпадает с измерениями эффекта». Войтак – первый автор публикации, посвященной исследованию, вышедшей в сентябрьском номере Nature.

Общая теория относительности, предложенная Эйнштейном в 1916 году, произвела настоящую революцию в том, как ученые воспринимали пространство и время. Да и вообще, она произвела в науке революцию, если воспользоваться теорией Томаса Куна. Теория объединила то, что было принципиально разным. Наверное, только в средние века человек лучше мог воспринять единство пространства и времени. Вот уже сто лет мы воспринимаем пространство-время как единую сущность, но опираемся при этом на науку, а не на специфическое восприятие окружающего мира. Также Эйнштейн показал, что масса влияет на пространство-время, деформируя их.

Там, где есть большая масса (такая, как у галактического кластера), присутствует чрезвычайно мощное гравитационное поле, которое при водит к искажению пространства-времени и ускорению времени. Свет, излученный в таких условиях, имеет определенную частоту, которая связана с силой гравитационного поля его источника. Когда этот свет приходит в другое место, например, попадает в один из телескопов около Земли, имеющей слабое гравитационное поле, в котором время идет медленнее, частота света уменьшается. Меньшая частота излучения соответствует большей длине волны, то есть, смещается в красную сторону спектра. Это и есть гравитационное красное смещение.

Физикам понадобились 43 года для того, чтобы получить доказательства его существования. Открытие было сделано в 1953 году, при изучении гамма-лучей, созданных в лаборатории. «Это был прорывной эксперимент», – считает Войтак.

После этого другие исследования нашли гравитационное смещение около Солнца и близких белых карликов. Но в одно исследование не позволило обнаружить этот эффект на космических масштабах.

«В нашей работе мы впервые наблюдаем тот же эффект, но в масштабах, превышающих предыдущие во много раз, – говорит Войтак. – Это единственный эффект, связанный с общей теорией относительности, который наблюдался как на Земле, так и на масштабах всей Вселенной. Теперь у нас есть связь между событиями, происходящими в масштабах Земли галактических кластеров».

Открытие подтверждает давно принятую научным сообществом общую теорию относительности, которая показала себя эффективной в предсказании многих космических явлений.

Но все еще существуют альтернативные теории, предложенные в том числе и в последние годы. Они направлены на объяснение того, что во Вселенной намного больше массы, чем мы видим, а также на понимание феномена ускорения расширения Вселенной, вызванной какой-то неизвестной силой.

В рамках общей теории относительности ученые разработали концепции темной материи и темной энергии, которые и отвечают на эти два вопроса. Но некоторые утверждают, что не придется изобретать подобных странных конструкций, если просто отбросить теорию относительности.

Одна из таких теорий, называемая f(R), вполне согласуется с новыми данными. Но другая, относительно популярная теория, TeVeS (tensor–vector–scalar gravity), противоречит измерениям. Так что если ее сторонники хотят продолжить борьбу, им придется внести очередные изменения, подгоняющие теорию под наблюдения.

С улучшением методик измерений и обработки данных, ученые будут получать все более точные результаты, которые позволят отмести хотя бы самые одиозные теории и вразумить некоторых упорствующих.

«Обсуждение свойств гравитации продолжится, и пионерская работа Войтака и соавторов позволяет нам увидеть потенциал космологических тестов, в которых достигается высокая точность за счет анализа миллионов галактических кластеров, и надеяться получить даже лучшие данные о гравитационном красном смещении в будущем», – говорит физик Гари Вегнер.