гравитационный инстантон

Квантовый мир напоминает кухню, где из «ничего» вдруг появляются частицы. Но для этого нужен повар — классическое поле, которое действует как внешний источник. Теорема Глаубера, давно известная в оптике, теперь обобщена: она показывает, как именно поле «готовит» частицы, будь то фотоны или гравитоны.

Горлышко песочных часов — самое узкое место, где песчинки меняют сторону. В квантовой гравитации есть похожий объект: инстантон — мгновенное решение уравнений поля, связывающее два состояния пространства.

Переход Джозефсона — это мостик из сверхпроводника, разделённый тончайшей изолирующей прослойкой. Через него течёт ток, даже если нет напряжения. Но когда ток становится слишком большим, мостик начинает колебаться, и на графике напряжения проступают ровные ступеньки — шаги Шапиро. Между этими ступеньками прячутся невидимые щели, где система ведёт себя странно. Раньше их считали просто математическим курьёзом.

$$10^{-35}$$ секунды. Крохотное мгновение, за которое Вселенная успевает расшириться в $$10^{26}$$ раз. Сразу после этого она проходит через тысячи быстрых превращений — словно шарик, скачущий по цепочке туннелей. Этот каскад составляет суть цепочечной инфляции, впервые предложенной Аланом Гутом. В простейшей модели все туннели одинаковы.

Обычно чёрную дыру описывают как застывший кадр: масса есть, заряд есть, и всё это неподвижно. Но настоящие объекты живут во времени. Они излучают, теряют энергию, меняются. Авторы новой работы взяли статичное решение для заряженной чёрной дыры в сложной теории гравитации и «оживили» его.

Барабанная перепонка у самого края водопада. Звук здесь ведёт себя странно: эхо не множится, а затихает. Именно так выглядят гравитационные волны у горизонта чёрной дыры — границы, за которой исчезает даже свет.

Пружинные весы в магазине показывают вес просто: груз давит на пружину, та сжимается, и стрелка ползёт по шкале. Связь между силой и сжатием прямая, как закон Гука. А теперь вообразите весы с хитрой платформой: сила передаётся через рычаги, и показания зависят не только от веса, но и от того, как изогнулась сама платформа. Чтобы их рассчитать, нужно учесть изгиб, а не только сжатие.

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.

Квантовая гравитация похожа на бухгалтерию: каждая возможная траектория — это запись в гроссбухе, и чтобы подвести итог, нужно просуммировать их все. Но как быть с черной дырой, которая не стоит на месте, а вращается — да еще и в мнимом времени? Авторы нашли особые «седловые точки» — конфигурации полей, дающие главный вклад в сумму по историям.

Черная дыра в классической теории — это место, где вещество сжимается в точку с бесконечной плотностью. Такая «сингулярность» выглядит как ошибка в уравнениях: природа вряд ли терпит бесконечности. Многие физики ищут способы «сгладить» этот провал, и одна из идей — изменить саму теорию гравитации на малых расстояниях.

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 первые мгновения после Большого взрыва вселенная раздувалась с чудовищной скоростью. Этот процесс называют инфляцией, и он сгладил все неровности, сделав космос однородным. Но что запустило саму инфляцию?

Ложный вакуум — это не просто переохлаждённая жидкость, а квантовая голограмма, готовая ожить при верной проекции. Его распад описывается туннелированием квантового поля из метастабильного минимума, и классический расчёт через евклидовы инстантоны элегантен, как натюрморт в свете софитов.

Переводчик, который переводит не слова, а саму структуру разговора, сталкивается с трудностями, когда беседа выходит за пределы тихой комнаты. В привычной симуляции на пространственной решётке всё идёт по строгому сценарию. Но стоит собеседникам оказаться на шумной площади, где звук искажается эхом, а толпа постоянно меняет направление, — и сценарий ломается.

Строитель проверяет прочность арки не тем, что прокручивает в голове все возможные её формы, а тем, что слегка мысленно её сдвигает и смотрит, сколько сил при этом тратится. Примерно так устроен принцип виртуальной работы в механике. Авторы новой работы перенесли этот подход на саму геометрию пространства-времени. Они построили ковариантную структуру виртуальной работы для метрики.

Когда песчинка падает на стол, её удар предсказуем. Но если сжать её до размеров атомного ядра, привычные законы гравитации ломаются — сила тяжести должна бесконечно расти. Подход асимптотически безопасной квантовой гравитации предлагает выход: на определённом масштабе, как река успокаивается после порогов, рост силы прекращается.

В классической картине мира гравитация — это плавные изгибы пространства и времени. Но на микроскопическом уровне, где правит квантовая механика, эти изгибы должны превращаться в зернистую рябь. Частицы такой ряби называют гравитонами. Беда в том, что прямолинейные расчёты с гравитонами вечно упираются в бесконечности — теория теряет смысл.

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.

Инфляция — это сверхбыстрое раздувание Вселенной в первые мгновения. Её вызвало поле, похожее на шар, скатывающийся с холма. Но рядом мог быть и второй, почти незаметный шарик. Авторы работы рассмотрели именно такой случай: лёгкое поле-наблюдатель (аксион), застывшее на вершине своего потенциала.

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.

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.

Кротовая нора — это гипотетический туннель в искривлённом пространстве-времени, соединяющий две удалённые области Вселенной и потенциально сокращающий путь между ними.

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.

Квантовое ничто — вакуум, пронизанный непрерывными флуктуациями полей, — напоминает воду в кастрюле перед закипанием. Время от времени в нём спонтанно вспухает пузырёк: только не пара, а целой вселенной. Такой пузырёк, вместо того чтобы схлопнуться, раздувается в пространство-время, запуская собственный Большой взрыв.

Первое, что приходит на ум при мысли о рождении Вселенной, — взрыв. Но современная космология рисует более изысканную картину: рождение сквозь горлышко винного бокала. Эта геометрия — не фантазия сомелье, а строгая форма евклидовой кротовой норы, которая связывает два анти-деситтеровских мира.

Гитарная струна сама решает, насколько сильно ей натягиваться, когда музыкант берёт аккорд в разных октавах. Примерно такую картину рисуют физики, когда пытаются соединить гравитацию — самую слабую, но вездесущую силу — с причудливыми законами микромира.

Космология давно ищет лазейку за Большой взрыв. Инфляция, предложенная Аланом Гутом, растягивает и сглаживает первичные неоднородности, но что зажгло сам фитиль?

Обычный чайник: нагреваешь — растёт температура, молекулы движутся всё беспорядочнее, и вырывается пар. Но в лаборатории создали необычный «чайник» — аналоговую чёрную дыру из охлаждённых почти до абсолютного нуля сверхпроводящих цепей.

Математический бублик — тор — поселился на границе трёхмерного мира, где действует гравитация. Его можно мять и растягивать, и физики решили проверить, как он себя поведёт. Внутри этого мира пространство бывает плоским, как стол, раздувающимся, словно мыльный пузырь, или изогнутым наподобие седла. Граница-бублик не захотела оставаться гладкой.

В физике есть застарелая боль. Общая теория относительности рисует начало Вселенной как точку — сингулярность, где уравнения ломаются, а объём обращается в нуль. Квантовая механика намекает, что в самый острый момент что-то идёт не так, как предсказывает классика.

Массивный наноалмаз в квантовом интерферометре раздваивается, натягивая на себя две реальности. Его гравитация — ничтожная, почти неощутимая — возбуждает квантовое поле вакуума, и рождаются когерентные облака гравитонов. Это гравитационные тени, отбрасываемые каждым положением массы.

Вода в кастрюле закипает, и со дна поднимаются пузырьки. Они растут, всплывают и лопаются, а вода остаётся водой. Нечто похожее, как выяснили физики, может происходить с самим пространством — если в нём есть тёмная энергия (загадочная сила, разгоняющая расширение мира). В такой вечно раздувающейся Вселенной иногда рождаются чёрные дыры.

Резиновая лента, которую растягивают в разные стороны, ведёт себя не так, как целый лист бумаги. Если тянуть за край, деформация распространяется не равномерно, а словно задерживается на отдельных участках.

Толпа людей вдруг начинает двигаться как один человек. В физике такое случается с атомными спинами — крошечными магнитными стрелками. Когда много спинов собираются вместе и общаются через общую среду, они образуют один большой магнит, или макроспин.

Уравнения общей теории относительности Эйнштейна и космологическая модель Леметра неизбежно приводили к выводу: Вселенная началась из сингулярности — бесконечно плотной точки в рамках гипотезы Большого взрыва.

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

Рождение Вселенной обычно связывают с Большим взрывом — точкой бесконечной плотности, где кривизна пространства-времени и температура достигают сингулярных значений. Но в такой сингулярности законы физики теряют предсказательную силу, что давно не устраивает учёных.

Современные телескопы фиксируют: далёкие галактики разлетаются всё быстрее. Причину этого ускоренного расширения называют тёмной энергией — таинственной субстанцией, создающей антигравитационное отталкивание, но её природа оставалась загадкой. К тому же, расчёты скорости разлёта в ранней и поздней Вселенной не совпадают, указывая на пробел в нашем понимании.

В классическом представлении чёрная дыра — это область пространства-времени, покинуть которую не способно ничто, даже свет.

Два сосуда с водой разной температуры соединены тонкой перегородкой. Пока перегородка цела, каждый сосуд живёт своей жизнью: в одном вода горячая, в другом — ледяная. Но стоит убрать перегородку, как температуры начинают выравниваться, и в конце концов оба сосуда приходят к одному состоянию.