Еще до того, как астрофизики зарегистрировали на LIGO гравитационные волны, они знали, что слияние двух нейтронных звезд нанесет удар по некоторым альтернативным теориям гравитации. Но, по словам Зумалакарреги, на момент его выступления на конференции многие ученые еще не осознали, что их любимая теория вот-вот будет выброшена на помойку. И поэтому в Сакле он терпеливо объяснил, как открытие LIGO, уже, по слухам, состоявшееся, убьет многие теории, альтернативные по отношению к общей теории относительности. Как только он закончил говорить, множество рук вскинулись вверх – ошеломленные коллеги-ученые спрашивали, абсолютно ли он уверен, что та или иная конкретная теория умерла. По его словам, конференция была похожа на похороны, где некоторым участникам церемонии он первым сообщил новость о покойнике, лежащем в гробу. Однако, добавляет Зумалакарреги, некоторые альтернативные теории гравитации возникают просто по причине недостаточно хорошего понимания. “Вспомните, как до Эйнштейна многие видные ученые упорно старались примирить электромагнетизм с эфиром, хотя этот подход был совершенно неправильным”, – рассказывает он. Действительно, когда-то считалось, что для распространения света необходима среда – эфир, но позже было доказано, что эфира не существует.

По этим причинам неудивительно, что некоторые ученые задаются вопросом, не ошибался ли Эйнштейн и правильна ли общая теория относительности. И дело не только в темных энергии и материи. Чтобы альтернативные теории гравитации работали, они должны предсказывать все те стандартные явления, которые так успешно предсказывает общая теория относительности. Чаще всего большинству теорий это не удается. Поскольку многие из их прогнозов оказываются совершенно ошибочными, предложившим их ученым приходится придумывать способы исправления ошибок и методы, которые бы скрыли неверные прогнозы для тех масштабов, где их можно проверить.

Возможно, самые известные альтернативные теории гравитации – это варианты модифицированной ньютоновской динамики, или просто MOND. В этих теориях нет необходимости во введении темной материи, поскольку изменяется само определение гравитации. В них предполагается, что существует два вида гравитационных сил вместо одной. Иногда, говорят адепты теории MOND, сила тяжести велика, и тогда она заставляет объекты подчиняться закону тяготения Ньютона, согласно которому сила тяжести между двумя объектами уменьшается обратно пропорционально квадрату разделяющего их расстояния. А когда сила тяжести очень мала – например, на окраинах галактики, – она, согласно этой теории, с расстоянием уменьшается медленнее. Это могло бы объяснить, почему кажется, что притяжения обычного вещества недостаточно, чтобы удерживать быстро движущиеся звезды внутри своих галактик, и тогда не нужно было бы вводить темную материю в модель для увеличения гравитационного притяжения, необходимого для устранения противоречия.

MOND – это всего лишь общая идея. Одна из попыток превратить ее в законченную теорию – это скаляр-тензор-векторная теория гравитации TeVeS, в которой имеется математический аппарат, описывающий все: от Солнечной системы до черных дыр, галактик и космологии. Как и другие разновидности теорий MOND, TeVeS объясняет, почему скорость звезд в галактиках одинакова повсюду, считая гравитацию вдали от центра сильнее, чем она должна быть согласно теориям Эйнштейна и Ньютона. Есть еще теории галилеонов – составная часть класса теорий, называемых теориями Хорндески и расширенными теориями Хорндески. Теории Хорндески получили свое имя в честь Грегори Хорндески – физика, разработавшего их в 1974 году. Более широкое физическое сообщество по-настоящему обратило свое внимание на его идеи только около 2010 года, когда он уже оставил занятия наукой и стал художником в Нью-Мексико. Большинство этих теорий пытаются исключить темную энергию и ввести поправки для объяснения расширения Вселенной и поведения силы тяжести. Другие теории, такие как теория гравитации Бранса – Дикке и ее варианты, являются развитием философских или математических идей общей теории относительности. Существуют также оригинальные теории, такие как теория физика Эрика Верлинде, в которой предполагается, что законы гравитации естественным образом вытекают из законов термодинамики, точно так же как волны в океане порождаются молекулами воды.

Ученые обычно тратили годы на разработку этих теорий, выводя уравнения и уточняя их. Все эти работы резко приостановились, когда было открыто первое слияние нейтронных звезд. Когда зеркала LIGO и Virgo лишь слегка затряслись, а научное сообщество засучив рукава трудилось над тем, чтобы зарегистрировать первое подобное столкновение в истории, космическая обсерватория Ферми тоже зафиксировала короткий гамма-всплеск, исходящий точно из того же места, но на Землю он пришел всего на 1,7 секунды позже. Так было доказано, что гравитационные волны распространяются со скоростью света, и этот факт безжалостно убил скаляр-тензор-векторные теории гравитации TeVeS, которые выжили бы, только если бы скорости гравитационных и электромагнитных волн различались. LIGO также убил несколько теорий галилеонов, которые требовали наличия дополнительного поля для объяснения ускоренного расширения Вселенной и еще того, чтобы гравитационные волны двигались медленнее света.

Но не все было убито: некоторые теории Хорндески и расширенные теории Хорндески выжили, поскольку не требовали отличия скорости гравитационных волн от скорости света. Также пока выжили некоторые так называемые теории гравитации с массивным гравитоном. Обычно физики предполагают, что частица, связанная с гравитацией, – гравитон – не имеет массы. Но в этих теориях принимается, что он имеет массу, хотя и очень маленькую, поэтому он не обязательно движется со скоростью света. Тем не менее столкновение двух нейтронных звезд послужило сигналом к очень быстрому удалению с поля некоторых альтернативных теорий гравитации.

Ученые и до этого опровергали их релевантность с помощью других аргументов, не так эффектно, но столь же беспощадно: сначала используя небесные тела нашей Солнечной системы, а совсем недавно и с помощью пульсаров. И до сих пор снова и снова подтверждалась правильность теории Эйнштейна17.

Но чем больше плотность и чем сильнее гравитация (а у пульсаров она настолько сильна, насколько это возможно без дальнейшего коллапса звезды в черную дыру), тем больше вероятность того, что общая теория относительности может оказаться ошибочной. И поэтому ученые неустанно ищут мельчайшие изменения в импульсах пульсаров, чтобы понять, согласуется ли система пульсаров, которую они исследуют, с предсказаниями теории Эйнштейна. Эти результаты наблюдений можно сравнивать и с выводами альтернативных теорий гравитации. Поскольку в таких экспериментах условия более суровые, проверка общей теории относительности с помощью пульсаров позволяет физикам сделать больше выводов и дополнительно исключить некоторые альтернативные теории.

Обычно астрономы используют пульсар, находящийся в двойной системе, например в партнерстве с белым карликом или другой нейтронной звездой, используя его в качестве тестовой массы с прикрепленными очень точными часами. Затем они очень точно вычисляют орбиты пульсаров, тщательно хронометрируя время прихода импульсов. Представьте, что мы с точностью до микросекунды измерили время прихода импульса в данный момент и еще раз через десять лет. Поскольку мы точно знаем, сколько оборотов сделал пульсар между этими двумя измерениями, мы можем вычислить частоту вращения пульсара с точностью до одной микросекунды в десять лет, то есть 1/ (3 x 1014), или одной трехсоттриллионной18.