Парные «танцы» звёзд против Ньютона и Эйнштейна

Исследование систем двойных звёзд одним корейским астрофизиком, возможно, навсегда перевернёт существующую физическую картину мира. В частности, учёным не придётся бесплодно искать тёмную материю, чтобы подогнать движение звёзд и галактик под существующие теории. О подробностях новой работы и почему законы классической физики перестают работать в определённых условиях, рассказывает в своей авторской колонке Алексей Вагов, директор Центра квантовых метаматериалов МИЭМ НИУ ВШЭ.

В прошлой колонке я рассказал о противоречивом летнем «открытии» сверхпроводимости при комнатной температуре и его последующем разоблачении.  На фоне этой разворачивающейся в реальном времени детективной драмы вторая научная сенсация минувшего лета на первый взгляд кажется сухой и скучной. Тем не менее она может перевернуть все представления человечества о мире.

Алексей Вагов,
директор Центра квантовых
метаматериалов МИЭМ НИУ ВШЭ

Итак, в нашей Вселенной существует довольно много систем двойных звёзд, в которых два светила вращаются одно вокруг другого. Один корейский астрофизик отобрал около 25 000 таких систем, чтобы повнимательнее изучить их движение. И тут выяснилась поразительная вещь: оказывается, движение двойных звёзд противоречит теориям тяготения Исаака Ньютона и Альберта Эйнштейна.

Отклонение от этих теорий наблюдалось и раньше — в движениях галактик. Было предложено два объяснения на выбор: либо теория гравитации Эйнштейна и вытекающая из неё механика Ньютона неправильны, либо часть Вселенной мы просто не видим, не можем зафиксировать. Однако она существует и воздействует на звёзды в галактиках.

Первое объяснение учёным крайне не понравилось, потому что означало пересмотр едва ли не всей современной физики. Вторая гипотеза выглядела более приемлемой. То, что большую часть Вселенной мы не видим, казалось решаемой проблемой: сейчас не видим — потом увидим, когда сделаем «телескоп побольше». Эта до сих пор не зафиксированная часть мироздания получила название «тёмная материя». С тех пор физики упорно ищут её следы. Но прошли уже десятки лет, а найти их так и не удалось.

При чём же тут открытие корейского астрофизика? Согласно ему, законы Ньютона и Эйнштейна нарушаются там, где влияния тёмной материи не может быть. У учёных больше не остаётся иного выбора, кроме как признать, что законы Ньютона, те самые, которые мы все учили с 7-го класса школы, неправильны.

Помните: «ускорение, которое получает материальная точка с постоянной массой, прямо пропорционально равнодействующей всех приложенных к ней сил»? Витиевато, но означает только то, что если лебедь, рак и щука тащат телегу в разные стороны с одинаковой силой, то она никуда не поедет. И это, как теперь получается, неверно.

Однако если так, то и все физические законы, вытекающие из постулатов Ньютона, тоже ложны. Так почему мы до сих пор не обнаружили это? Согласно выводам корейского астрофизика, законы Ньютона нарушаются при очень маленьких силах и ускорениях — если ускорение около  0,1 нанометра в секунду за секунду.

Здесь важно учесть, что 0,1 нанометра — это размер атома. С таким ускорением потребуется 300 лет, чтобы достичь скорости пешехода и пройти 1 метр. Однако сейчас у учёных есть способы измерять даже меньшие расстояния и скорости — и всё же мы пока не увидели на Земле эффектов, подобных описанным в этой работе.

Ответ в том, что на Земле нарушение законов Ньютона невозможно обнаружить ни при какой точности измерений. При таких малых ускорениях нарушается вся ньютоновская картина мира. Больше не работает закон линейного сложения сил и ускорений. Огромное притяжение Земли, а также Солнца и даже Луны делает природу на Земле и рядом с ней «ньютоновскими». Поэтому в нашей Солнечной системе законы Ньютона точны. Они хорошо описывают движение планет. А вот близко к Солнцу, где сила тяготения больше, уже надо использовать более общие законы Эйнштейна, чтобы, например, описать движение Меркурия.

Иное дело — двойные звёзды, где, кроме них, вокруг ничего нет, а  сами эти звёзды очень далеки друг от друга. В таких системах общая сила тяготения становится маленькой, и законы Ньютона и Эйнштейна перестают работать. Ускорение звёзд в этом случае оказывается намного больше, чем эти законы предсказывают. Поэтому тёмная материя больше не нужна, чтобы объяснить движения галактик.

Почему законы Ньютона перестают работать, пока не знает никто. Вполне вероятно, что для объяснения понадобится пересмотр всей физической картины мира — того же масштаба, как при создании теории Эйнштейна и квантовой физики.

Конечно, мы знаем, что основополагающие законы мироздания пересматривались человеком много раз. Можно вспомнить теории о Земле, стоящей на трёх китах, или o Солнце, которое крутится вокруг Земли. Или создание квантовой механики, которая показала, что мир не непрерывный и определённый, как всем казалось, а дискретный и вероятностный. Однако пересмотр таких фундаментальных законов природы, как законы Ньютона, представляется довольно радикальным. И, похоже, мы не очень представляем, какой физический мир нас в действительности окружает.
IQ

Автор текста: Вагов Алексей Вячеславович, 19 сентября, 2023 г.