Солнечная система скрывает пятую фундаментальную силу природы

Каждый раз, когда мы проверяем теорию общей теории относительности Альберта Эйнштейна у себя «дома», она блестяще проходит испытания. От характера колебаний Меркурия до времени прохождения радиосигналов, отражающихся от Марса, — математическая база теории практически безупречна. Но в глубокой тьме космоса Вселенная ведет двойную игру. Галактики разлетаются друг от друга быстрее, чем это позволяет гравитация, подталкиваемые силой отталкивания, которую мы называем темной энергией. Это колоссальное несоответствие между нашими локальными окрестностями и остальной частью космоса привело физиков к радикальному выводу: у всех на виду скрывается пятая сила природы, и наше Солнце в настоящее время выступает в качестве ее главного щита.

Слава Турышев, физик из Лаборатории реактивного движения НАСА, потратил годы на изучение этого космического противоречия. Проблема в том, что, хотя темная энергия составляет около 70 процентов Вселенной, она, по-видимому, никак не проявляет себя внутри нашей Солнечной системы. Такое ощущение, что законы физики меняются, как только вы попадаете на окраину звезды. Последний анализ Турышева предполагает, что дело не в отсутствии пятой силы, а в том, что присутствие материи — Солнца, планет и даже нас самих — эффективно подавляет ее. Это явление, известное как экранирование, создает своего рода «пузырь» нормальной физики, который скрывает более странную реальность за его пределами.

Чтобы понять, почему это важно, нужно вспомнить четыре уже известных нам взаимодействия: гравитацию, электромагнетизм, а также сильное и слабое ядерные взаимодействия. Это правила игры. Если пятая сила существует, она могла бы объяснить, почему Вселенная расширяется с ускорением — загадка, которая ставит ученых в тупик с конца 1990-х годов. Если бы мы смогли уловить хотя бы слабый отголосок этой силы на локальном уровне, это стало бы величайшим прорывом в физике со времен открытия бозона Хиггса. Загвоздка в том, что эта сила ведет себя как космический интроверт, проявляя себя только тогда, когда вокруг абсолютно пусто.

Хамелеон, скрывающийся в солнечном свете

Представьте себе звук, который оглушителен в пустом каньоне, но превращается в едва слышный шепот в переполненном баре. Плотность атмосферы и тел вокруг вас просто поглощают энергию. В Солнечной системе Солнце является главным источником такой плотности. Работа Турышева указывает на то, что сила-хамелеон может присутствовать здесь, но она «сжата» в тонкую внешнюю оболочку вблизи границ влияния Солнца. Это делает ее невероятно трудноуловимой для датчиков навигации, которые мы в настоящее время используем на межпланетных станциях.

Это не просто теоретические рассуждения. Если эффект хамелеона реален, это означает, что наши нынешние проверки гравитации — лишь взгляд на поверхность гораздо более глубокого водоема. Турышев утверждает, что, хотя сила подавлена, она не исчезла полностью. Она оставляет после себя «слабый остаток» — крошечный след, который можно было бы обнаружить, если знать, где именно искать. Речь идет не о планете, внезапно отклонившейся от курса, а об измерении сигнала с точностью до одной части на 100 квадриллионов. Это высшая форма космических пряток.

Мертвая зона радиусом в четыреста световых лет

Расчеты показывают, что радиус Вайнштейна для Солнца простирается примерно на 400 световых лет. Для сравнения: ближайшая звезда, Проксима Центавра, находится всего в 4,2 световых года от нас. Если эта теория верна, мы живем внутри массивной мертвой зоны, где самая интересная физика Вселенной заглушена. Каждый зонд, который мы когда-либо запускали, от «Вояджера» до «Новых горизонтов», все еще находится глубоко внутри этого пузыря. Они похожи на рыб, пытающихся изучить понятие огня, находясь на дне океана.

Напряженность ситуации в том, что мы пытаемся решить универсальную загадку, используя локальные инструменты, которые намеренно «ослеплены» по отношению к ответу. Это создает серьезное препятствие для экспериментаторов. Если радиус Вайнштейна действительно так велик, мы никогда не сможем отправить зонд достаточно далеко, чтобы увидеть эту силу во всей ее красе. Вместо этого нам приходится искать крошечные трещины в броне — микроскопические отклонения от предсказаний Эйнштейна, которые происходят прямо здесь, дома.

Почему задержка сигнала Шапиро — наш лучший шанс

Тем не менее Турышев предполагает, что экранированная пятая сила может вызывать крошечное, почти незаметное отклонение во времени прохождения сигнала. Он подсчитал, что если бы мы смогли измерить сигнал, проходящий вблизи Солнца, с точностью до двух-пяти частей на миллион, мы могли бы увидеть первые признаки ослабления экрана. Это уровень точности, который был невозможен десятилетие назад, но сейчас мы начинаем сокращать разрыв. Это требует перехода от простых радиосигналов к сверхточным лазерным каналам связи между космическими аппаратами.

Атомные часы и поиск остаточных следов

Помимо измерения времени прохождения света, следующее поколение физических экспериментов переходит в область невероятно малых величин. Атомные интерферометры и оптические решеточные часы теперь настолько чувствительны, что могут уловить разницу в силе гравитации между вашей головой и ногами. Эти инструменты могут стать ключом к преодолению тупика с экранированием. Если пятая сила существует, она может заставлять разные типы материи падать с немного разной скоростью — что является нарушением Принципа эквивалентности Эйнштейна.

Сейчас мы знаем, что в вакууме все падает с одинаковой скоростью, будь то молоток или перо. Но пятая сила, которая взаимодействует с материей иначе, чем гравитация, нарушила бы это правило. Турышев прогнозирует, что вскоре мы сможем достичь чувствительности в одну часть на 100 квадриллионов в экспериментах по свободному падению. На таком уровне точности «слабый остаток» экранированной силы теоретически должен стать заметным. Это проявилось бы как крошечное колебание или несоответствие частоты связанных оптических часов по мере их перемещения через различные области гравитационного поля Солнца.

Это перекладывает бремя доказательств на сами модели. Мы больше не спрашиваем, существует ли эта сила, а скорее — сколько следов она оставляет. Если мы создадим эти сверхточные инструменты и все равно ничего не найдем, это заставит физиков полностью отказаться от идеи экранирования. Это будет означать, что темная энергия еще более странная, чем мы думали, или что наше понимание гравитации требует гораздо более радикальной переработки, чем просто добавление пятой силы.

Космические обзоры как путеводители в поисках

Пока мы ищем подсказки дома, масштабные международные проекты изучают остальную часть Вселенной, чтобы создать дорожную карту. Телескоп «Евклид» Европейского космического агентства и Спектроскопический инструмент темной энергии (DESI) в настоящее время составляют крупнейшие 3D-карты космоса из когда-либо созданных. Они наблюдают за крупномасштабной структурой Вселенной — обширной паутиной галактик и газа, заполняющей пустоту. Именно здесь пятая сила должна действовать наиболее свободно.

Настоящее противоречие заключается в том, что мы можем искать то, что по своей сути создано невидимым для нас. Похоже, у Вселенной есть встроенный механизм, который защищает нас от сил, движущих ее эволюцией. Будь то случайность физики или фундаментальный закон, Солнечная система в настоящее время является нашей единственной лабораторией для проверки пределов наследия Эйнштейна. Мы живем в тихом кармане очень шумной Вселенной и, наконец, учимся «слышать» то, что происходит за ее пределами.