August 12th, 2018

krym

Антигравитация во Вселенной

В июльском номере УФН 2018 года опубликована свежая статья живого классика, членкора РАН, Игоря Дмитриевича Новикова «Антигравитация во Вселенной» (в соавторстве с Зельдовичем он написал два классических учебника-монографии по гравитации и космологии) https://ufn.ru/ru/articles/2018/7/c/
Вот его выступление по этой статье на семинаре в ФИАН в октябре 2017 года (лекция начинается спустя минут 15, до того академические шорохи и звуки)
https://www.youtube.com/watch?v=52yFN-gbwR4
В обсуждениях принял участие «Паша», видимо, тот самый Иванов, который тут много и попусту шумел. Он и там много говорил, но против основных выводов Новикова не выступил (насколько можно понять из шумов).

Суть работы Новикова в следующем: все, кто полагал, что шар из отрицательной вакуумной энергии (которая сейчас общее место среди инфляционистов), будет антигравитировать снаружи, неправы – Новиков приводит ряд цитат из Пиблса и из собственных книг. Какая редкая нынче вещь – человек признается, что был неправ! Новиков показывает, что когда речь идет о внутренней части шара (или обо всей однородной Вселенной), то отрицательное вакуумное давление, превосходящее, по распространенному мнению, положительную плотность этой субстанции, будет вызывать антигравитацию – тут Новиков не противоречит остальным космологам. Но как только мы ограничиваем шар и выходим за его пределы, то антигравитация резко меняется на гравитацию – и Новиков приводит графики такого разрыва. Тем самым, ряд утверждений учебников требуют переписки, а также ряд моделей, который использовали величину ro+3p как источник гравитации даже в неоднородных космологических моделях. В подтверждение Новиков делает расчет – то есть фактически пересчитывает решение Шварцшильда для случая отрицательного давления в шаре. Лично я так научно воспитан, что не могу говорить, что человек сделал ошибку – если я неспособен указать на место в расчетах, где он ошибся. (Увы, воспитанных людей в науке становится все меньше и меньше). Поэтому я принимаю утверждения Новикова, и пытаюсь их осмыслить.

Я нахожу их парадоксальными. Антигравитация в шаре с отрицательным давлением достигает максимума на его границе, но за его границей она скачком переходит в максимум обычного притяжения. Моя интуиция физика протестует против такого скачка. Давайте возьмем набор шаров разного размера, в которых царит отрицательное давление. Внутри шара будет антигравитация, снаружи – гравитация. Сложим из этих шаров бесконечную среду (оставляя бесконечно малый зазор между ними). Она будет гравитировать как обычная среда. Заполним пустоты между крупным шарами мелкими – законопатим щели между ними вплоть до тончайшей границы между шарами. Общий объем пустоты между шарами будет стремиться к нулю как угодно близко, но среда будет по-прежнему гравитировать. Если же мы заполним оставшееся пространство между шарами последней, ничтожной добавкой того же вещества, то среда станет сплошной и полностью переключится на антигравитацию. То есть микроскопическая добавка меняет свойства всей Вселенной. Итак, я чую парадокс.

Что такое парадокс? Это мощное оружие физиков. Если мы встречаемся с парадоксом, то есть два варианта: а. мы нашли новую физику (как в случае появления парадоксальной квантовой волны-частицы); б. мы сделали что-то не так по математике или предположили что-то не так по физике – и парадокс, как красная лампочка, сигнализирует нам об этом.
Приведу пример. Хокинг и Эллис «Крупномасштабная структура пространства-времени» 1973 год: «Другими словами, условие энергодоминантности представляет собой слабое энергетическое условие, дополненное требованием, чтобы давление не превышало плотности энергии. Ему удовлетворяют все известные формы материи и имеются серьезные основания предполагать, что оно выполняется во всех ситуациях». Далее Хокинг и Эллис указывают, что это следует из того факта, что скорость звука не может быть больше скорости света. «(Блудман и Рудерман [8, 9] показали, что могут быть поля, для которых перенормировка массы может привести к тому, что давление будет больше плотности энергии. Однако, на наш взгляд, это скорее говорит против теории перенормировок, чем в пользу возможности такой ситуации.)»
http://lib.alnam.ru/book_bst.php?id=20

Видите, два автора-классика считали в 1973 году, что если некая процедура перенормировки приводит к парадоксальному выводу о том, что давление больше плотности энергии, то что-то не так с процедурой перенормировки. А именно такой случай – превосходство отрицательного давления над плотностью - стал активно рассматриваться с 80-х годов космологами. И сейчас Новиков показал, что это приводит к ситуации, когда на границе шара антигравитация резким скачком меняется на гравитацию. Я вижу в этом парадоксе свидетельство того, что как считали Хокинг-Эллис, что на наш мир наложено физическое условие «чтобы давление не превышало плотности энергии», аналогичное тому, что никакая локальная скорость реальных тел не может быть больше скорости света. Так что, по-моему, работа Новикова бросает мрачную тень на саму идею отрицательного давления, основу нынешней теории инфляции (легко показать, что когда у вас обычное давление, то никакого скачка гравитационной силы – даже по величине - на границе шара нет). У кого есть какие соображения?

Читатель (спасибо ему) навел меня на интересное обсуждение на физическом форуме о том, гравитирует ли гравитация? Совершенно ожидаемо, что автор приходит к выводу, что существует два ответа на этот вопрос. Верно, теоретики способны построить самые противоречивые конструкции, тем более, они не проверяемы на эксперименте.
«Does Gravity Gravitate?» by PeterDonis
https://www.physicsforums.com/insights/does-gravity-gravitate/
https://www.physicsforums.com/insights/gravity-gravitate-part-2-sequel/
https://www.physicsforums.com/insights/gravity-gravitate-part-3-wave/
«To sum up what we’ve said so far: we’ve talked about two possible ways to answer our title question, and they lead to opposite answers…»

Именно поэтому мы с Васильковым считаем, что теоретические препирания ничего не дадут – нужно смотреть на практические выводы из разных ответов. И в работе Новикова, и в обсуждениях на форуме приятно то, что есть еще люди, который интересуются основами, заглядывают в основные посылки существующих ныне теорий. Нередко слышишь обратное – как люди с ходу отвергают возможность того, что гравитационные волны не обладают гравитационной массой. Или совсем грустная история про инфляционистов: им Гус сказал, что у них есть бесплатный ланч из равной смеси положительной и отрицательной (гравитационной) энергии – а, значит, гравитационная масса Вселенной равна нулю (мне об этом недавно сказал Линде) – и они уверовали в это без всяких доказательств. Кто-нибудь видел детальное обсуждение/доказательство того поразительного факта, что наша Вселенная с первого мгновения своего существования расширяется так, что её отрицательная гравитационная энергия (которая, вообще говоря, должна падать с расширением) все время компенсирует положительную энергию материи (которая должна вести себя с расширением совсем иначе)?