гравитационная теория

Представьте интерферометр как гигантское ухо, слушающее радиошёпот далёкой галактики. Три антенны, расставленные по континентам, ловят сигнал, и разность их фаз складывается в величину, не зависящую от дрожания атмосферы. Эту величину называют фазой замыкания. Раньше её читали примитивно: ноль — источник симметричен, не ноль — асимметричен.

Сверхпроводник выталкивает магнитное поле, как губка выжимает воду. Этот эффект Мейсснера известен почти век, но обычно его рассматривают в плоском пространстве-времени — без учёта гравитации. В сильном гравитационном поле, например, вблизи чёрной дыры, или при релятивистских скоростях картина меняется.

Бросьте в пруд два камня разной формы — круги на воде расскажут, какой из них был гладким, а какой угловатым. Так же работают гравитационные волны — рябь пространства-времени, предсказанная общей теорией относительности: когда два сверхплотных объекта сливаются, дрожь пространства-времени разносит подробности об их внутреннем устройстве.

Космос расширяется, и это расширение ускоряется. Но что, если в первые мгновения после Большого взрыва гравитация — искривление пространства-времени массивными телами — работала иначе? Авторы новой работы добавили в уравнения Эйнштейна невидимое поле, которое перехватывает энергию у обычного вещества и излучения.

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.

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.

В далёком космосе существует гипотетический объект — ультрахолодная чёрная дыра. Она несёт электрический заряд и находится в расширяющейся вселенной — пространстве де Ситтера, где доминирует космологическая постоянная. Её температура близка к абсолютному нулю — примерно на одну триллионную градуса выше него.

Чёрная дыра, раскрученная почти до максимальной скорости вращения, подобна спортсмену, балансирующему на грани рекорда. Наиболее интригующие эффекты возникают не в самой сингулярности, а в тончайшей плёнке пространства-времени у горизонта событий.

Свет застывает на краю бездны — так выглядит горизонт событий обычной чёрной дыры. Но в центре этой бездны прячется сингулярность — точка, где плотность и кривизна становятся бесконечными, а законы физики перестают работать.

Маятник в шумной комнате постоянно получает толчки от проходящих людей. Его движение — смесь регулярных качаний и случайных рывков. Нечто подобное происходит со слабыми гравитационными волнами на фоне расширяющейся Вселенной. В общей теории относительности Эйнштейна эти волны — крошечные колебания пространства-времени. Но они не изолированы.

Звезда кружит вокруг вращающейся чёрной дыры, словно фигуристка в центре катка. Пока она далеко и её можно считать точечной массой, танец остаётся предсказуемым: орбита подчиняется чётким законам небесной механики, как музыка, по которой легко скользить. Но стоит ей приблизиться, и гравитация начинает действовать неравномерно.

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 самом центре Млечного Пути, вокруг невидимой сверхмассивной чёрной дыры, обращаются звёзды. Одна из них — S301 — совершает полный оборот всего за 8,7 лет. Её орбита представляет собой сильно вытянутый эллипс: в перицентре звезда почти вплотную приближается к чёрной дыре, а затем уносится прочь.

Первые три минуты после рождения мира — космическая кухня, где природа готовила самые лёгкие атомные ядра. Рецепт задан гравитацией: она управляет темпом остывания горячего «бульона» из частиц. Если гравитация работала иначе, чем мы привыкли, то и блюдо получилось бы другим — с иным количеством гелия и дейтерия.

В центре Млечного Пути, окутанная пылью и заревом, скрывается сверхмассивная чёрная дыра — Стрелец A*. Вокруг неё, как мотыльки у пламени, кружат десятки звёзд-ориентиров. Две из них, S2 и S38, с эксцентрическими орбитами и периодами в несколько лет, стали главными героями в проверке фундаментальных законов мироздания.

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.

Чёрная дыра — не просто тёмное пятно. Она вращается, увлекает за собой пространство и может нести на себе отпечатки квантового мира. Чтобы описать такую дыру, нужно решить уравнения гравитационного поля.

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.

Бескрайний океан, где каждая волна несёт информацию о том, что происходит в глубине. Примерно так устроена наша Вселенная в рамках голографического принципа: физика внутри объёма может быть описана через процессы на его границе.

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.

В центре многих галактик прячутся чёрные дыры — области с такой сильной гравитацией, что даже свет не может их покинуть. Вокруг них часто кружатся звёзды, и иногда одна из них — пульсар, космический маяк, посылающий строго периодичные радиоимпульсы.

Граница диктует правила Квантовая гравитация напоминает театр, где пространство-время — сцена, а поля — актёры. Когда у сцены есть край, нужно точно знать, что происходит на границе: иначе спектакль рассыплется. В 2018 году Эдвард Виттен предложил изящный рецепт для такого случая.

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.

У Вселенной есть скорость, с которой она раздувается, — её называют постоянной Хаббла. Проблема в том, что два самых точных способа её измерить дают разные числа. Один метод, использующий ранний свет Вселенной (реликтовое излучение), говорит об одном значении. Другой, основанный на наблюдении далёких звёзд в наше время, — о другом, чуть более высоком.

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

Гравитацию обычно объясняют через искривление пространства-времени. Массивные тела продавливают его, как шар для боулинга — натянутую резиновую плёнку. Но у этого подхода есть два менее известных близнеца. В одном гравитация возникает из кручения (скрученности) пространства-времени, в другом — из его неметричности (когда меняются длины и углы при переносе).

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.

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…

Время в физике похоже на дирижёра, который задаёт темп всему оркестру. Но в квантовом мире нет единой палочки — каждая частица может жить по собственным часам. Обычно мы упрощаем картину и считаем, что время течёт одинаково для всех. Авторы статьи отказались от этого допущения и посмотрели, что будет, если время отмеряют сами квантовые системы — например, атом, переходящий между уровнями энергии.

В младенческой Вселенной царили квантовые флуктуации — микроскопические помехи, подобные шипению ненастроенного радиоприемника.

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?

Световой луч скользит вдоль горизонта чёрной дыры — той невидимой границы, откуда ничто не может вырваться. Чем ближе луч к горизонту, тем медленнее тянется его собственное «время» — особая мера пути, называемая аффинным параметром. Этот параметр нарастает не плавно, а взрывным образом, как снежный ком, катящийся с горы: каждый следующий миг приносит всё больший прирост.

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.

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.

Ещё в 1930-х Фриц Цвикки заметил, что скорости галактик в скоплениях слишком велики для видимой массы. Позже Вера Рубин подтвердила это для отдельных галактик.

Стивен Хокинг предложил радикальный взгляд: рождение Вселенной — не взрыв, а плавное «выныривание» из квантового «ничего» — состояния, где нет ни пространства, ни времени, лишь квантовые флуктуации.

Галактика подобна космическому автобану, где звёзды-автомобили мчатся по круговым орбитам. Их скорость определяется невидимым «грузом» массы, заключённым внутри орбиты: чем массивнее центральная область, тем быстрее несутся звёзды на периферии.

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.