тензор энергии-импульса

Прибой набегает на берег не ровным фронтом, а языками пены, которые то сливаются, то расходятся. Магнитные поля внутри материалов ведут себя похоже: они дышат волнами, и до сих пор никто не видел их целиком. Физики из Принстона собрали устройство, которое впервые ловит эти волны так, как радар ловит самолёты, то есть определяет не только силу сигнала, но и его направление, длину и скорость.

Чёрная дыра — не просто тёмное пятно в космосе. У неё есть температура, она излучает. У неё есть энтропия — мера скрытой информации, записанной на поверхности её горизонта, словно узор на мыльном пузыре.

Квантовая теория поля — это язык, на котором физики описывают элементарные частицы и их взаимодействия. Авторы работы решили немного «подправить» этот язык — ввели деформации, то есть небольшие изменения правил игры.

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.

В двумерной вселенной чёрная дыра похожа на воронку в пространстве-времени. Но авторы новой работы пошли дальше: они предположили, что само пространство, где «живут» импульсы частиц, тоже изогнуто — как седло. Они взяли обычную чёрную дыру BTZ (трёхмерный родственник реальных чёрных дыр) и добавили квантовую рябь в геометрию импульсов.

На заре времён Вселенная пережила краткий миг бешеного раздувания — инфляцию. Крошечные квантовые дрожания пространства-времени растянулись до космических масштабов. Эти дрожания — первичные неоднородности — стали теми семенами, из которых позже выросли галактики и звёзды.

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.

В 1956 году два радиотелескопа в Джодрелл-Бэнк уставились на Сириус, ловя не изображение, а дрожание интенсивности. Эксперимент Ханбери Брауна и Твисса (HBT) открыл удивительную вещь: корреляции приходящих фотонов способны рассказать о статистике источника — хаотичен ли он, как тепловая лампа, или когерентен, как лазер.

Надувной шар с нарисованными фломастером магнитными линиями — простая модель того, как ведёт себя слабое магнитное поле в расширяющейся вселенной. Пока шар маленький, линии послушно лежат на резине и не мешают ей растягиваться. Примерно так поле заполняет готовое пространство, не споря с его геометрией. Но если бы сам фломастер начал раздувать резину, картина стала бы иной.

Представьте фотографию с длинной выдержкой: контуры размыты, но именно эта размытость передаёт движение. Квантовая волна — волновая функция, описывающая вероятность местоположения частицы, — напоминает такой снимок. Традиционно подобные «застывшие» волны считают удобной математической абстракцией.

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.

Когда массивные тела движутся с ускорением — скажем, две звезды кружатся друг вокруг друга, — пространство вокруг них не остаётся спокойным. Оно дрожит, как поверхность пруда от брошенного камня. Эти дрожания называют гравитационными волнами. Они уносят энергию прочь, и источник постепенно теряет массу.

Сразу после Большого взрыва космос был горячей плазмой — смесью заряженных частиц и света. В такой среде электрические токи не могли течь сами по себе: нужна была «разность потенциалов», толкающая электроны относительно фотонов. Именно её ищут в теориях космологического магнитогенеза — рождения первых магнитных полей.

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.

Пульсары — это стремительно вращающиеся нейтронные звёзды, останки массивных светил, испускающие радиовспышки с регулярностью, превосходящей точность атомных часов. Их импульсы служат естественными космическими маяками.

Пространство-время подобно гигантскому листу бумаги. Сложите его — и далёкие уголки окажутся рядом. Проколите карандашом — получится кротовая нора, короткий туннель сквозь складки. Но бумага стремится распрямиться, захлопывая проход. Чтобы удержать его открытым, нужна редкая «прокладка» — материя с отрицательной энергией.

Гравитация не фундаментальна — это тень, отбрасываемая энтропией, мерой беспорядка. Ещё в 1970-х Якоб Бекенштейн и Стивен Хокинг обнаружили: чёрные дыры хранят беспорядок на своей поверхности — энтропия пропорциональна площади горизонта…

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.

Два наэлектризованных шарика притягиваются друг к другу с определённой силой. Если заменить их заряды на магнитные полюса, пружинные весы покажут ровно ту же силу. С чёрными дырами, оказывается, та же история — только вместо пружин работает сама ткань пространства-времени.

Горячий кофе на столе остывает: тепло растекается от горячего центра к краям. Примерно так же, предполагают авторы, ведёт себя и сама Вселенная — только в масштабах миллиардов световых лет.

Жонглёр подбрасывает булавы, сидя на вращающемся стуле. Если он начнёт крутить булавы все в одну сторону, стул поедет в противоположную — иначе нарушится закон сохранения вращения. Примерно так устроен эффект Эйнштейна — де Хааза: в куске железа магнитное поле выстраивает микроскопические магнитики-спины, и весь кусок чуть поворачивается.

Пространство-время можно представить как гигантский кристалл. Гравитационные волны — рябь самой метрики, порождаемая ускоренным движением массивных тел, рождённые столкновениями чёрных дыр — областей, где гравитация настолько сильна, что даже свет не может их покинуть, не просто заставляют его дрожать — они оставляют неизгладимые дефекты…

Пустота не так пуста, как кажется. В квантовом мире даже в полном вакууме постоянно рождаются и исчезают пары частиц — словно рябь на поверхности пруда, которую не видно глазу, но можно измерить. Если в эту рябь поместить тонкую перегородку, она изменит узор волн.

Порванная струна на гитаре не просто замолкает. Она ещё какое-то время дрожит, и по характеру этого дрожания мастер понимает, что за струна перед ним — толстая или тонкая, туго натянутая или слабо. Примерно так физики слушают «дрожание» квантовых систем, когда хотят узнать их устройство.

Астрономы, включая Веру Рубин, заметили аномалию: звёзды на периферии галактик вращаются быстрее, чем должна позволять видимая масса. Возникла гипотеза тёмной материи — невидимого вещества, добавляющего недостающую гравитацию. Однако существует альтернатива: возможно, сам закон тяготения не универсален.