Експеримент завдовжки 16 років. Знаменита теорія Ейнштейна витримала одну з найскладніших перевірок

Виходить, ми досі упускаємо момент, де теорія Ейнштейна «переходить» у квантову фізику — і доти, доки ми їх не «з'єднаємо», ми не матимемо єдиного правильного трактування фізичних законів.

Нещодавно ми писали про гонитву вчених за волоссям чорних дір — нестабільність на горизонті подій цих екстремальних об'єктів, які б впливали на їхню гравітацію. Якби вчені їх знайшли, це спростувало б теорему про відсутність волосся у чорних дір, яка передбачає, що зовнішні властивості чорної діри залежать виключно від її маси, обертання (спіну) та електричного заряду.

Виявлення волосся на чорних дірах може надати спосіб поєднати спостереження чорних дір із фундаментальною фізикою, а також дозволити людству досліджувати теорію струн і квантову гравітацію абсолютно новими способами. Можливо, це допомогло б знайти точки дотику між ЗТВ і квантовою фізикою.

Однак досі вчені не мають чітких доказів ні правдивості, ні спростування теореми. Тому дослідникам доводиться шукати також інші шляхи.

Міжнародна група фізиків із десяти країн на чолі з Майклом Крамером з Інституту радіоастрономії Макса Планка провела, напевно, найретельнішу перевірку ЗТВ на сьогоднішній день. Вони проаналізували спостереження системи подвійних пульсарів, зроблені сімома різними радіотелескопами по всьому світу з 2003 по 2019 рік. Результати дослідження опубліковані в журналі Physical Review X.

«Нам потрібно знайти спосіб перевірити теорію Ейнштейна на середньому рівні, щоб побачити, чи буде вона правдою і там. Нам пощастило — космічна лабораторія у вигляді подвійного пульсара, виявлена за допомогою телескопа Паркса у 2003 році, ідеально підходить для цього», — каже Дік Манчестер, один із авторів дослідження.

«Нам потрібно було знайти способи перевірити теорію Ейнштейна на середньому рівні, щоб перевірити, чи вона все ще правильна. На щастя, саме космічна лабораторія, відома як подвійний пульсар, була виявлена за допомогою телескопа Паркса в 2003 році.

Вчені стверджують, що теорія Ейнштейна, яку той запропонував, коли ні про існування подібних типів зірок, ні про методи, що використовують для їх вивчення, не існувало, узгоджується зі спостереженнями, які вони проводили протягом 16 років, на 99,99%.

Пульсари — це нейтронні зірки, які обертаються на величезній швидкості і випромінюють електромагнітне випромінювання зі своїх магнітних полюсів. Насправді ці промені не перериваються, проте вони «пульсують», оскільки їх світло видно тільки коли полюс зірки спрямований у бік спостерігача — в даному випадку Землі.

Нейтронні зірки — надзвичайно щільні об'єкти. Досліджувана пара виявилася не винятком — незважаючи на те, що одна з них лише 24 кілометри в поперечнику, кожна з них приблизно на 30% масивніша за Сонце. «Це дозволило нам перевірити безліч різних прогнозів загальної теорії відносності — одразу сім», — зазначає Манчестер.

Один із досліджуваних пульсарів обертається навколо своєї осі 44 рази на секунду; другому на один оберт потрібно 2,8 секунди. Обидві зірки обертаються навколо загального центру мас кожні 147 хвилин і рухаються зі швидкістю близько 1 млн км/год — за прогнозами вони мають зіткнутися через 85 млн років.

Їхнє обертання викликає бриж у просторі-часі — гравітаційні хвилі. Через це (гравітаційні хвилі забирають енергію зірок в космос) за день система стискається приблизно на 7 мм, що узгоджується з прогнозом ЗТВ.

Вчені зазначають, що з додаткової перевірки теорій Ейнштейна їм треба було розуміти відстань цих зірок до Землі. Дані з телескопів, а також велика кількість розрахунків показали, що світлу потрібно близько 2400 років, щоб досягти Землі — досить невелика відстань для космосу.

Усі сім прогнозів Загальної теорії відносності підтвердилися. Це не є доказом того, що ЗТВ є єдиним вірним трактуванням законів фізики — скоріше це свідчить лише про те, що ми досі не можемо знайти тих, що спростовували б теорію Ейнштейна.

«Важливо й надалі проводити найсуворіші перевірки Загальної теорії відносності, наскільки це можливо, щоб з’ясувати, як і коли теорія руйнується», — каже Роберт Фердман, ще один автор дослідження. Він упевнений, що будь-яке відхилення від ЗТВ, яке ми колись зафіксуємо, стане «вікном в нову фізику, що виходить за межі нашого нинішнього теоретичного розуміння Всесвіту». Таким чином ми наблизимося до створення єдиної теорії фундаментальних сил природи.