эйнштейн

Ньютон подарил нам мир, где тела движутся в пустоте, а часы тикают одинаково для всех. Три века эта картина работала безотказно. Но в ней много невидимых подпорок: абсолютное положение, направление «верх-низ», единый для всей Вселенной ритм времени. Мы никогда не измеряли их напрямую — только через отношения между предметами.

Весы, на которых взвешивают не тело, а само пространство вокруг него. Так работают уравнения Эйнштейна в общей теории относительности: они связывают кривизну пространства-времени с тем, что в нём находится. В правую часть уравнения — туда, где «материя», — обычно подставляют либо плотность энергии, либо давление.

В тишине квантового мира нет пустоты. Частицы переплетены невидимыми нитями — квантовой запутанностью, состоянием, при котором две частицы, даже разнесённые на огромные расстояния, мгновенно чувствуют изменения друг друга. Авторы работы предположили, что сама ткань пространства-времени сплетена из этих нитей.

Пара чёрных дыр кружится в танце, постепенно сближаясь. Они теряют энергию и вращение — этот процесс называют излучением углового момента. В обычной теории Эйнштейна момент уносят только гравитационные волны.

Чёрная дыра обычно прячет свою сингулярность под горизонтом событий — невидимой границей, из-за которой не вырывается даже свет. Но иногда этот «плащ» отсутствует, и сингулярность — точка, где привычная физика перестаёт работать, — оказывается открытой для внешнего наблюдателя. Такие объекты называют голыми сингулярностями, и они доставляют теоретикам массу хлопот.

В крикете есть особый бросок — гугли. Мяч летит так, что вращение обманывает отбивающего. В физике тоже был свой гугли: почти полвека математики не могли заставить теорию твисторов работать с реальной гравитацией. Она отлично описывала «удобные» поля, где всё закручено в одну сторону. Но стоило появиться «неудобной» составляющей — и аппарат ломался.

В океане водоворот затягивает всё в замкнутый круг — так же гравитационная волна в пустом пространстве скручивает время в петлю. Гравитационная волна — это рябь на ткани космоса, распространяющееся возмущение метрики пространства-времени, и её особая форма способна превратить обычный ход событий в замкнутый цикл.

Пространство, в котором мы живём, кажется трёхмерным. Но когда физики пытаются примирить гравитацию с квантовой механикой, привычные измерения начинают вести себя странно. В новой работе учёные показали, что для описания массивной частицы с учётом квантовых эффектов гравитации естественно добавить ещё два измерения.

Предмет не может быть точкой. По крайней мере, в гравитации Эйнштейна. Уравнения общей теории относительности требуют, чтобы источник поля — материя — был размазан в пространстве, а не сосредоточен в бесконечно малом объёме. Иначе в формулах появляются бесконечности, и гладкого пространства-времени не построить.

Ранняя Вселенная была неспокойным местом. Пространство дрожало от гравитационных волн — ряби самой ткани мироздания. В этом бурлящем котле, как предполагают, и родилась тёмная материя. Но у новорождённых частиц не было массы — её нужно было откуда-то взять. Обычно за массу отвечает поле Хиггса.

В начале XX века Эйнштейн показал, что гравитация — это искривление пространства и времени. Чуть раньше Максвелл объединил электричество и магнетизм в единую теорию.

В самом начале Вселенной, когда всё пространство было сжато в точку, законы физики перестают работать. Эту точку называют сингулярностью — краем, где наши уравнения теряют смысл. Но что, если это не конец, а особый тип границы? Авторы работы предложили взглянуть на сингулярность как на свободную границу. Обычно, решая уравнения, мы жёстко задаём условия на краях.

Сверхмассивная чёрная дыра плывёт в облаке тёмной материи. В привычной картине эта невидимая субстанция просто добавляет массу и почти не трогает обычное вещество. Но частицы тёмной материи могут обладать собственным вращением — спином.

Чёрная дыра — не просто тёмное пятно в космосе. Это область, где гравитация сжимает материю так сильно, что даже свет не вырывается наружу. Среди всех возможных чёрных дыр выделяется одна — вращающаяся дыра Керра. Её описание долго считали привязанным к уравнениям Эйнштейна, словно рецепт блюда к конкретной поваренной книге.

Гравитация кажется простой: она удерживает нас на поверхности Земли и заставляет планеты обращаться по орбитам. Однако если предположить, что гравитация остаётся классической — то есть описывается уравнениями Эйнштейна как искривление пространства-времени, — в то время как всё вещество подчиняется квантовым законам…

Мёртвая звезда с магнитным полем в миллиарды раз сильнее земного — это магнитар. Её кора трескается, и в пространство уходит мощный рентгеновский всплеск. Но часть этого света не долетает до нас в привычном виде. В сверхсильном поле фотоны могут превратиться в гравитационные волны — дрожь самого пространства.

Оркестр играет вразнобой, и звук кажется хаосом. Но если записать все ноты и проанализировать их математически, можно восстановить форму концертного зала — где стены, какой высоты потолок. Примерно так физики предлагают выводить гравитацию из квантовой теории. В обычной жизни пространство и время — это сцена, на которой разыгрываются события. Но в микромире сцена сама становится зыбкой.

Нейтронная звезда — это огрызок взорвавшегося гиганта, сжатый до размеров города. Чайная ложка её вещества весит миллиард тонн. Внутри такой звезды частицы упакованы так плотно, что начинают проявляться квантовые эффекты. Один из них — собственное вращение частиц, или спин.

Два массивных шара медленно расходятся в пустоте. С точки зрения обычной механики — ничего особенного. Но уравнения Эйнштейна говорят иначе: ускоряющиеся массы всколыхивают само пространство, и от них расходятся гравитационные волны — рябь, растягивающая и сжимающая всё на своём пути.

Чай в чашке спокойно остывает на столе. Но если пронестись мимо с околосветовой скоростью, термометр покажет больше — хотя чай никто не грел. Расчёты подтверждают: стрелка поползёт вверх. Сто лет назад физики разделились на три лагеря. Одни считали, что движущееся тело остывает, другие — что нагревается, третьи — что температура не меняется вовсе.

Два камешка падают в воду — и круги на поверхности пересекаются, смешивая узоры. Примерно так же ведут себя нейтрино — лёгкие частицы, которые миллиардами пронзают нас каждую секунду. Они умеют превращаться из одного типа в другой, словно актёр меняет маски. Этот танец физики называют осцилляциями. Но что, если сама сцена, по которой движутся нейтрино, не идеально гладкая?

Натянутая простыня идёт складками. Если дёрнуть угол — побежит ровная волна, а если резко сжать ткань — возникнет острый залом. Примерно так же ведут себя пространство и время в уравнениях Эйнштейна. Гравитационные волны похожи на плавные колебания простыни, а ударные скачки — на жёсткие сгибы, где свойства материи меняются скачком.

Мыльный пузырь висит в воздухе, и его форма уже содержит всё, что нужно для расчёта внутреннего натяжения. Похожий принцип сработал в новой работе по квантовой гравитации. Физики взяли замкнутую поверхность — аналог такого пузыря — и задали на ней несколько чисел: например, силу электрического поля и кривизну.

Гравитация — это не просто сила притяжения, а искривление пространства-времени, как показал ещё Эйнштейн в общей теории относительности. Представьте натянутый батут: массивное тело создаёт в нём воронку, и другие объекты скатываются по её склонам.

Глубинные уравнения физики, например уравнение Уилера–ДеВитта — фундаментальная формулировка квантовой гравитации, — не содержат времени. Прошлое и будущее в них перепутаны, как кадры на киноплёнке, где нет указателя, куда её крутить.

Канатоходец шагает по туго натянутому тросу. Каждый его шаг — поиск равновесия, мгновенный расчёт сил. Примерно так же уравнения Эйнштейна описывают, как материя и энергия заставляют пространство-время изгибаться. Но долгое время никто не мог доказать, что эти уравнения вообще имеют решение — что канатоходец способен сделать хотя бы первый шаг и не рухнуть.

Камень падает на землю по самому экономному маршруту — так, чтобы потратить меньше всего времени и энергии. Этот принцип наименьшего действия управляет всей классической физикой. Но в микромире всё дрожит: поля колеблются, и нельзя точно сказать, где что находится.

Далекий оркестр играет симфонию, но запись полна помех. Мелодия написана для двух инструментов, однако из шума будто пробивается третий голос — тихий и незнакомый. Так астрофизики вслушиваются в гравитационные волны, пытаясь уловить малейшие отклонения от предсказаний Эйнштейна.

Представьте два хора в звуконепроницаемых комнатах на шаткой сцене. Они поют, но не слышат друг друга — воздух не доносит мелодию. И всё же, если сцена дрожит, её вибрации связывают их песни. На этой идее построена новая проверка квантовой гравитации.

Согласно Эйнштейну, пространство-время — это гибкая ткань, искривляемая веществом. Но в квантовом мире всё иначе: частицы размазаны по облаку вероятностей, а правит ими правило, открытое Максом Борном (оно связывает волновую функцию частицы с вероятностью её обнаружения).

Общая теория относительности Эйнштейна представляет гравитацию как искривление пространства-времени — подобно тому, как тяжёлая гиря продавливает натянутую упругую ткань. Чёрные дыры — области, где это искривление достигает экстремальных значений, глубочайшие «воронки» в ткани мироздания.

Звёзды на окраинах галактик вращаются неожиданно быстро. Согласно ньютоновской механике, чем дальше от центра, тем медленнее должно быть движение — как в хороводе, где крайние участники идут тише. Но в реальности звёздные окраины несутся почти с той же скоростью, что и ядро, напоминая огромную карусель: на ней внешние лошадки проносятся быстрее, чтобы не отстать от внутренних.

В обычной жизни время идёт само по себе, как река мимо берегов. Но в квантовой теории гравитации всё иначе: время не течёт, а возникает из отношений между объектами, словно узор на ковре, который виден только при взгляде с определённого места. Физики долго искали способ честно описать, как меняются квантовые системы, если часы — не внешний прибор, а часть самой системы.

Долгое время космологи не могли заглянуть за точку начала — бесконечно плотную сингулярность Большого взрыва, где уравнения общей теории относительности Эйнштейна теряют предсказательную силу.

Обычные часы на стене идут плавно, но квантовые часы — другое дело. Они тикают в случайные моменты, и каждый тик может быть разной длины. В среднем, если долго смотреть на такие часы, они покажут правильное время. Но в каждый отдельный момент их стрелка может прыгнуть вперёд на неожиданную величину.

Квантовая частица — обитательница мира элементарных частиц — напоминает монету, вращающуюся в воздухе: ни орёл, ни решка, а суперпозиция возможностей. Но при падении на стол исход становится однозначным. Что служит столом в процессе измерения?

Две частицы могут стать связанными так, что воздействие на одну мгновенно отдаётся в другой, даже если их разделяют галактики. Эйнштейн называл это «жутким дальнодействием». Физики задумались: способна ли сама гравитация — простое взаимное притяжение масс — создать такую квантовую запутанность?

В 1935 году Эйнштейн, Подольский и Розен предложили мысленный эксперимент, который, по их мнению, вскрывал неполноту квантовой механики. Две частицы разлетаются после взаимодействия, и измерение импульса одной из них мгновенно даёт точное знание импульса другой.

Когда энтропия достигает максимума, пьеса заканчивается. Занавес опускается, актёры расходятся, декорации замирают. Но сцена остаётся. Именно так обстоит дело со временем: тепловая смерть Вселенной стирает направление «прошлое — будущее», но не само время. Оно продолжает существовать как геометрическая структура, поддерживаемая квантовыми флуктуациями вакуума.

Город нарисован на листе бумаги. Улицы те же, перекрёстки на местах, но расстояния между кварталами вдруг изменились. Так выглядит трёхмерная чёрная дыра BTZ в модифицированной гравитации: метрика — карта города — осталась прежней, а вот космологическая постоянная, задающая масштаб, получила поправки.