теории гравитации

В центре нейтронной звезды вещество сжато так, что чайная ложка весит миллиард тонн. Казалось бы, лучше места для поиска следов квантовой гравитации не найти. Но между лабораторией и фундаментальным масштабом — пропасть в 10⁸⁰ раз по плотности. Три двери ведут в эту комнату.

Брошенный камень летит по дуге, а планета вокруг Солнца — по замкнутой кривой. Почему именно эллипс, а не круг или спираль? Ответ даёт первый закон Кеплера, но обычно его доказательство требует сложных вычислений. Эта работа предлагает путь короче — через одно простое отношение скоростей.

Луч прожектора уходит в темноту, но если мысленно провести его назад, он упрётся в источник света — лампу. С историей Вселенной, возможно, то же самое: прослеживая её расширение вспять, мы упираемся в самое начало. Физики взяли самую простую модель — Вселенную, которая растягивается одинаково по всем направлениям, как куб, у которого одновременно увеличиваются все стороны.

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.

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.

Свет, покидающий массивное тело, теряет энергию: его частота слегка уменьшается, а цвет смещается к красному концу спектра. Это явление физики называют гравитационным красным смещением. В рамках классической физики всё прозрачно, но на квантовом уровне возникают тонкости.

Переводчик, отвлекающийся на каждый шорох в зале, рискует превратить час совещания в два. Одна неверная интонация меняет смысл до неузнаваемости. Примерно так же ведёт себя гравитино — гипотетическая частица со спином 3/2 (квантовое число, описывающее внутреннее вращение частицы).

Свет в линзе меняет направление — это знают все. Гравитационные волны, проходя мимо массивного тела, тоже искривляют путь. Но авторы этой работы заглянули дальше: что происходит с самим «цветом» волны — её поляризацией, то есть направлением колебаний.

Световая ловушка удерживает атом почти неподвижно — как шарик на мягкой пружинке. Но стоит появиться ускорению, например силе тяжести, и равновесие смещается. Атом сдвигается в стоячей световой волне, и это меняет темп, с которым он обменивается энергией с полем. Частота такого обмена становится прямым индикатором ускорения.

Ранняя Вселенная напоминала стремительно остывающий океан. При колоссальных температурах всё было единым — кварки, электроны, взаимодействия сливались в симметричный «пар». Но по мере расширения и охлаждения этот пар конденсировался, фазовые переходы сменяли друг друга, словно вода превращается в лёд.

Тысячу лет назад викинги брали в море исландский шпат. Полупрозрачный кристалл расщеплял свет на два луча. По их яркости даже в туман можно было найти солнце. Двоякопреломление — физический термин для этого явления — теперь помогает охотиться за самой неуловимой силой космоса. Исландский шпат — прозрачная разновидность кальцита — действительно использовался викингами для навигации.

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.

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.

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.

Согласно общей теории относительности Эйнштейна, массивное вращающееся тело увлекает за собой ткань пространства-времени, подобно тому как ложка, вращаемая в банке, заставляет течь густой мёд.

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.

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.

Когда две нейтронные звезды кружатся друг вокруг друга, их тела не остаются жёсткими шарами. Гравитация партнёра растягивает каждую звезду, создавая приливные горбы — примерно как Луна поднимает воду в океанах Земли. Но в отличие от воды, здесь деформируется сверхплотная материя: чайная ложка такого вещества весит миллиарды тонн.

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.

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.

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.

Бросьте камешек в пруд — по воде побегут круги. Примерно так же массивное тело, кружащее вокруг чёрной дыры, возмущает ткань пространства-времени, порождая гравитационные волны. Но что, если сам пруд не плоский, а имеет скрытые складки — дополнительные измерения, невидимые глазу?

Световые конусы — фундаментальное понятие теории относительности, описывающее границы в пространстве-времени, которые разделяют причины и следствия. Эти конусы не являются абсолютно жёсткими структурами: массивный объект искривляет их, подобно тому как тяжёлый шар продавливает натянутую эластичную плёнку.

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.

Гравитационные волны — не колебания вещества, а дрожь самой ткани пространства-времени, предсказанная Альбертом Эйнштейном в рамках общей теории относительности. Они распространяются со скоростью света и, проходя сквозь тела, вызывают их попеременное растяжение и сжатие.

Гравитационные волны — это колебания самой ткани пространства-времени, возникающие при катастрофических событиях, таких как слияние чёрных дыр или других сверхмассивных объектов.

Басовая струна, которую дёрнули в момент Большого взрыва, не просто гудит на одной ноте — по ней бегут волны, и время от времени от неё отрываются крошечные колечки-петли. Эти петли, словно камертоны, начинают звенеть на собственной частоте, создавая очень высокий звук. В масштабах Вселенной «звук» — это рябь на ткани пространства-времени, которую называют гравитационными волнами.

Камень падает в пруд, и по воде разбегаются круги. Если на пути кругов встретится торчащая коряга, часть ряби отразится, а часть обогнёт препятствие. Похоже ведут себя и гравитационные волны — рябь самого пространства-времени, — когда проходят мимо скоплений галактик или чёрных дыр.

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.

Мироздание — не сплошной монолит, а полотно из бесчисленных квантовых нитей. Пространство-время не течёт как вода, а вибрирует как гобелен на ветру. Долгое время физики видели только общий рисунок, пренебрегая дрожью отдельных нитей. Но если прислушаться, эта дрожь сливается в подобие звука — не слышимого ухом, но похожего на волну в натянутой струне.

Форма речного русла — не случайный каприз ландшафта, а точное воплощение уравнения, описывающего рост Вселенной с отрицательной кривизной. В лабораторных условиях вода, текущая по песку, самопроизвольно вытачивает поперечный профиль, совпадающий с решением для модели Анти-де Ситтера — пространства-времени с отрицательной кривизной, где Вселенная…

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.

Камень падает в пруд — по воде расходятся круги. Если камень не падает, а проносится над водой с огромной скоростью, от его движения по поверхности бежит прямая волна. Когда она натыкается на плавающее бревно, от места удара снова расходятся круги. Примерно так работает гравитация в новой работе.

Физика часто напоминает строительство гигантского корабля — Вселенной. Инженеры-физики ещё не пришли к единому мнению о базовых чертежах.