В 2009 году физик-теоретик Эрик Верлинде (Erik Verlinde) предложил радикальную переформулировку гравитации. В его теории гравитация — это не фундаментальная сила, а скорее проявление более глубоких скрытых процессов. Но за прошедшие с тех пор 15 лет идея не получила особой экспериментальной поддержки. Итак, куда же мы пойдём дальше?
Эмерджентность — обычное явление во всей физике. Свойство температуры, например, не является внутренним свойством газов. Напротив, это возникший результат бесчисленных микроскопических столкновений. У нас есть инструменты для сопоставления этих микроскопических столкновений с температурой; действительно, существует целая область физики, известная как статистическая механика, которая делает известными эти связи.
В других областях связь между микроскопическим поведением и эмерджентными свойствами не так очевидна. Например, хотя мы понимаем простые механизмы сверхпроводимости, мы не знаем, как микроскопические взаимодействия приводят к появлению высокотемпературных сверхпроводников.
Теория Верлинде основана на том, что Стивен Хокинг (Stephen Hawking) и Яаков Бекенштейн (Jacob Bekenstein) наблюдали в 1970-х годах: многие свойства чёрных дыр можно выразить с помощью законов термодинамики. Однако законы термодинамики сами по себе являются результатом микроскопических процессов. Для Верлинде это было больше, чем просто совпадение, и это указывало на то, что то, что мы воспринимаем как гравитацию, может возникнуть в результате какого-то более глубокого физического процесса.
В 2009 году он опубликовал первую версию своей теории. Важно отметить, что нам не нужно знать, что представляют собой эти более глубокие процессы, поскольку у нас уже есть набор инструментов — статистическая механика — для описания возникающих свойств. Итак, Верлинде применил эти методы к гравитации и пришёл к альтернативной формулировке гравитации. А поскольку гравитация также связана с нашими представлениями о движении, инерции, пространстве и времени, это означает, что вся наша Вселенная также возникла в результате тех же более глубоких процессов.
Поначалу из этого ничего не вышло; переписывание известного закона физики, хотя и интересно, не обязательно даёт более глубокое понимание. Но в 2016 году Верлинде расширил свою теорию, обнаружив, что Вселенная, содержащая тёмную энергию, естественным образом приводит к новому возникающему свойству пространства, таким образом позволяя ему втягиваться внутрь себя в областях с низкой плотностью.
Это открытие вызвало шквал восторга, поскольку предоставило альтернативное объяснение тёмной материи. В настоящее время астрономы полагают, что тёмная материя — это таинственное, невидимое вещество, составляющее основную массу каждой галактики. И хотя эта гипотеза смогла объяснить огромное количество наблюдений, от скоростей вращения звёзд внутри галактик до эволюции крупнейших структур в космосе, нам ещё предстоит идентифицировать таинственную частицу.
В картине же эмерджентной гравитации Верлинда, как только вы входите в области низкой плотности — по сути, во всё, что находится за пределами солнечной системы, — гравитация ведёт себя иначе, чем мы могли бы ожидать из общей теории относительности Эйнштейна. В больших масштабах существует естественное внутреннее притяжение к самому пространству, которое заставляет материю сгущаться более плотно, чем это было бы в противном случае.
Эта идея была захватывающей, потому что она позволила астрономам найти способ проверить эту новую теорию. Теперь наблюдатели могли взять эту новую теорию гравитации и применить её к моделям структуры и эволюции галактик, чтобы найти различия между ней и моделями тёмной материи.
Однако с годами результаты экспериментов были неоднозначными. Некоторые ранние тесты отдавали предпочтение эмерджентной гравитации перед тёмной материей, когда дело касалось скорости вращения звёзд. Но более поздние наблюдения не выявили преимуществ. Да и тёмная материя также может объяснить гораздо больше, чем только скорость вращения галактик; тесты внутри скоплений галактик показали, что эмерджентная гравитация оказывается недостаточной.
Но на этом эмерджентная гравитация не заканчивается. Идея всё ещё нова и требует множества допущений в расчётах, чтобы заставить её работать. Без полностью реализованной теории трудно сказать, точно ли сделанные ею предсказания поведения галактик и скоплений отражают то, что могла бы сказать нам эмерджентная гравитация. И астрономы всё ещё пытаются разработать более строгие тесты, например, используя данные космического микроволнового фона, чтобы действительно проверить теорию на практике.
Эмерджентная гравитация всё ещё остаётся интригующей идеей. Если она верна, нам пришлось бы радикально изменить наше понимание мира природы и рассматривать гравитацию и движение — и даже более фундаментальные понятия, такие как время и пространство, — через призму более глубоких и сложных взаимодействий. Но на данный момент она по-прежнему остаётся просто интригующей идеей. Только время и обширные наблюдения покажут нам, на правильном ли мы пути.
