Эйнштейн окончательно сформулировал осенью 1915 года свои уравнения о связи материи, пространства и времени. С тех пор учёные провели немало наблюдений, пытаясь либо доказать, либо опровергнуть их применимость к нашей Вселенной. Наука ко всему относится со скепсисом, и это двигает её вперёд. Если однажды окажется, что Эйнштейн в чём-то ошибался, то это станет возможностью открыть новую физику, но пока это никому не удалось.

Моделирование космической паутины — нитей и скоплений тёмной материи, собирающие галактики вместе. Источник изображения: TNG

Строго говоря, уравнения Эйнштейна применительно к нашей Вселенной решил российский и советский учёный Александр Фридман в 1922 году. Потому нашу Вселенную можно справедливо называть «фридмановской». Она «пылевая» и нестатичная, что означает равномерное распределение материи (любая звезда или даже галактика на её масштабе будет выглядеть пылинкой) и расширение с ускорением. Сам Эйнштейн не предполагал, что такое возможно. Когда он выводил свои уравнения, никто, включая его самого, не знал о тёмной материи, тёмной энергии, чёрных дырах и других феноменах. Однако всё это нашло отражение в решениях его уравнений. Учёные продолжают пытаться найти в них изъяны, но пока безуспешно.

Сегодня уравнения Эйнштейна и его Общая теория относительности подверглись самому суровому испытанию за всё время. Учёные проанализировали первый год работы прибора DESI (Dark Energy Spectroscopic Instrument) собирающего данные с 2019 года о галактиках и квазарах примерно с 3 млрд лет после Большого взрыва. Первый обзор по проекту был опубликован в апреле 2024 года. Сейчас ведётся подготовка обзора за первые три года работы прибора, а всего предусмотрено пять лет наблюдений. Полученные данные позволяют дать точную оценку скорости формирования галактик на глубину до 11 миллиардов лет назад. Это даёт учёным динамическую карту распределения масс по Вселенной, которое также можно рассчитать по уравнениям Эйнштейна.

На днях на сайте препринтов arXiv опубликованы три новые работы, отправленные на рецензирование, в которых даётся оценка выводов из Общей теории относительности в соответствии с распределением 6 млн галактик за 11 млрд лет истории Вселенной, полученных из годичного обзора DESI. Значимых расхождений в распределении масс между наблюдениями и расчётами по Эйнштейну нет.

Также новые выводы учёных позволили ограничить по верхнему пределу массу нейтрино и закрыть некоторые из альтернативной теории гравитации. Эйнштейн по-прежнему прав в определении точной зависимости между материей, пространством и временем. Вселенные не выбирают. Нам досталась такая: с абсолютной скоростью света, с ускоренным расширением и одинаковым пространством по всем направлениям.

Франко-швейцарская группа учёных попыталась на фактическом материале проверить верность уравнений Эйнштейна, описывающих Вселенную. Для этого они воспользовались данными обзора Dark Energy Survey за первые три года наблюдений. Анализ влияния 100 млн галактик на пространство-время дал отклонения от предсказаний Эйнштейна на 3 сигма, чего недостаточно для открытия, но хватило для зарождения сомнений в верности уравнений великого учёного.

Источник изображения: ИИ-генерация Кандинский 3.1/3DNews

Как предсказал в 1915 году Эйнштейн, гравитация — это нечто большее, чем сила всеобщего тяготения, о чём говорил Ньютон и его законы. В 1919 году в ходе прямого измерения отклонения света звёзд Солнцем (его гравитацией) уравнения Эйнштейна были подтверждены наблюдением. С тех пор только ленивые учёные не пытаются опровергнуть Альберта Эйнштейна, который ввёл в метрику гравитации искажение не только пространства, но и времени. Пока уравнения Эйнштейна, являющиеся частью Общей теории относительности, остаются незыблемыми.

Исследователи из университетов Женевы (UNIGE) и Тулузы (III университет имени Поля Сабатье) воспользовались первыми данными обзора Dark Energy Survey, чтобы проверить уравнения Эйнштейна с помощью наблюдений за 100 млн галактик. Данные получены по объектам на удалении 3,5, 5, 6 и 7 млрд лет назад. По словам учёных, это первый анализ данных о влиянии масс галактик одновременно на пространство и время.

Согласно теории Эйнштейна, материя создаёт искривление пространства-времени тем больше, чем больше масса. Обычно это иллюстрируют помещением тяжёлого шара на эластичную поверхность, которую тот продавливает тем сильнее, чем он тяжелее — это принято называть гравитационными колодцами. Следует лишь помнить, что материя искажает пространство во всех направлениях в трёх измерениях, поэтому колодец на самом деле — это, скорее, шар или шарообразный объём в пространстве-времени. Но это детали. Из уравнений Эйнштейна можно рассчитать, насколько свет преломится — произойдёт гравитационное линзирование, когда он минует скопления масс. И если в этих расчётах появится отклонение от наблюдаемых, то Вселенная может оказаться совсем не такой или не везде такой, как предсказывал Эйнштейн.

Из данных Dark Energy Survey учёные вывели, что на удалении 6 и 7 млрд лет от нас уравнения Эйнштейна, можно сказать, безупречны. На удалении 3,5 и 5 млрд лет от нас появились отклонения между наблюдениями и расчётами. Отклонения составили 3 сигма, тогда как значимым результатом принято считать отклонения в 5 сигма. По мнению исследователей, существенные отклонения результатов наблюдений от предсказаний заставляют усилить интенсивность работ на этом направлении. Отличия стали наблюдаться на этапе, когда Вселенная начала ускоренно расширяться. «Гравитационные колодцы» на этом отрезке стали мельче — гравитация стала слабее проявлять себя.

За ускоренное расширение Вселенной отвечает тёмная энергия — неизвестная субстанция или свойство Вселенной, а может быть, даже, гравитация, раз изменения начали наблюдаться в связи друг с другом. Уравнения Эйнштейна описывают нашу Вселенную (Вселенная Фридмана) и любые другие версии Вселенных. Обнаружение в них изъяна стало бы открытием огромного значения и помогло бы ответить на много вопросов об устройстве мироздания.