отрицательная энергия

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.

Когда воздушный шарик надувают слишком быстро, его стенки начинают дрожать. Примерно то же самое происходило с пространством в первые мгновения после Большого взрыва: Вселенная раздувалась стремительно, и сама её ткань пошла рябью.

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.

Вселенная иногда напоминает старую ткань: после быстрого остывания в ней могли остаться складки — тонкие, почти невидимые нити чудовищной плотности. Их называют космическими струнами. Обычно в центре такой струны прячется сингулярность — точка, где кривизна пространства-времени бесконечна, и законы физики теряют смысл.

Два мячика, брошенных с разной высоты, падают на землю с разным ускорением. В космосе всё устроено сложнее: там даже пустота заставляет тела двигаться по-разному.

В основе варп-двигателя лежит идея Эйнштейна о том, что массивные тела искривляют пространство-время — ту самую сцену, на которой разворачиваются все космические события. Представьте себе пузырь такого искривлённого пространства-времени. Внутри него корабль парит без перегрузок — как пассажир в салоне самолёта, не чувствующий встречного ветра.

Парадокс чёрных дыр мучил физиков десятилетиями. Если чёрная дыра в конце концов испаряется излучением Хокинга, куда девается информация о том, что в неё упало? Работы Стивена Хокинга и Якоба Бекенштейна показали: для спасения фундаментальных законов природы требуется нестандартный ход.

Чёрная дыра похожа на идеальный пылесос: всё, что пересекает её горизонт, исчезает без следа. Но у этого пылесоса есть странная черта — его «мешок для пыли» увеличивается, и по размеру мешка можно судить о том, сколько всего туда попало. В физике чёрных дыр этот размер связан с энтропией энтропией — мерой скрытой информации о том, что упало внутрь.

Чёрная дыра похожа на колодец без дна. Можно измерить, сколько воды в него утекло, глядя на уровень снаружи. Но как узнать массу самой воды, если стоишь внутри колодца? Примерно эту задачу решают авторы новой работы. Они построили «весы» для массы, заключённой в ограниченной области пространства — например, вокруг горизонта чёрной дыры. Такую массу называют квазилокальной (почти местной).

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

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.

Чёрная дыра похожа на идеальный сейф: всё, что в неё попадает, кажется потерянным навсегда. Но на микроскопическом уровне она не уничтожает информацию, а перемешивает её со своими внутренними степенями свободы — словно колода карт после тщательной тасовки.

Почти век астрономы наблюдают, как галактики вращаются, словно их удерживает невидимая масса. Первым это заметил Фриц Цвикки, изучая движение галактик в скоплении Кома, а Вера Рубин точно измерила скорости звёзд на окраинах спиральных галактик, обнаружив, что они остаются высокими, а не падают, как предсказывала видимая материя.

Кротовая нора — это гипотетический туннель сквозь ткань пространства-времени, концепцию которого развивали Джон Уилер и Кип Торн.

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.

Вселенная — огромный город. Тёмная материя — невидимый каркас зданий, а тёмная энергия — сила, растягивающая улицы. Долгое время их считали независимыми, но новое исследование уличило их в тайном общении.

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.

Представьте, как настраивается оркестр: скрипки взлетают вверх — это привычный «чирп» слияний чёрных дыр в детекторах LIGO. А теперь вообразите траурный марш: звук, тянущийся вниз, словно затихающая сирена. Именно такой гравитационно-волновой почерк должна оставлять система, где одна из масс отрицательна.

Пространство-время иногда напоминает лист бумаги, в котором можно проделать дырку и соединить края короткой трубкой — получится кротовая нора. В самых простых математических моделях таких нор появляются безмассовые скалярные поля — нечто вроде невидимого тумана, заполняющего всё вокруг.

Чёрные дыры не вечны: они медленно теряют энергию, испуская энтропию — меру скрытой информации — в виде теплового излучения. Этот процесс, известный как излучение Хокинга, предсказал Стивен Хокинг.

Звезда, исчерпавшая топливо, падает сама в себя. Её внешние слои разлетаются, а ядро сжимается до немыслимых плотностей. Когда-то считалось, что этот процесс заканчивается точкой — сингулярностью, где законы физики ломаются. Новая работа показывает: перед самым финалом внутри будущей чёрной дыры происходит нечто странное.

Кипящий котёл, в котором изредка лопаются пузырьки пара, — вот на что походила ранняя Вселенная. Всё пространство тогда заполняло поле в состоянии ложного вакуума — как вода, перегретая выше точки кипения. Достаточно было крошечной чёрной дыры, чтобы возник пузырь истинного вакуума: область с новой физикой, способная расти и поглотить всё вокруг.

Гигантская воронка крутится с огромной скоростью. Если бросить в неё верёвку, закрепив один конец на краю, а другой оставив снаружи, воронка начнёт наматывать верёвку на себя, заставляя её вращаться. Примерно так ведёт себя космическая струна рядом с вращающейся чёрной дырой.

Когда звёзды на окраинах галактик вращаются быстрее, чем предсказывают расчёты на основе видимой массы, стандартная космология привлекает гипотезу скрытой тёмной материи — невидимого вещества, проявляющего себя только через гравитацию. Новая работа предлагает альтернативу, не требующую введения новых частиц.

Привычная картина: гравитация всегда притягивает. Но если масса находится в квантовой суперпозиции — то есть одновременно в двух точках, подобно объекту на фотографии с двойной экспозицией, — всё переворачивается.

Гравитация традиционно воспринимается как исключительно сила притяжения: яблоко падает вниз, планеты удерживаются на орбитах. Однако если источник гравитации — искривления пространства-времени — поместить в два места одновременно, можно получить противоположный эффект.

Тёмная материя, возможно, представляет собой не гипотетические частицы, а первичные чёрные дыры — объекты, возникшие в эпоху Большого взрыва. Представьте раннюю Вселенную как замешиваемое тесто: в этой аналогии чёрные дыры играют роль тяжёлых зёрен, которые, почти не смещаясь под действием собственной инерции, локально искажают гравитационное поле.

Вселенная расширяется всё быстрее, подобно дрожжевому тесту, поднимающемуся на тёплой кухне. Движущая сила этого расширения — тёмная энергия, которую в нашей аналогии можно представить как космический сахар, питающий процесс.

Классическая ракета ограничена скоростью света: масса растёт, и разгон требует бесконечной энергии. Но уравнения Эйнштейна допускают обходной манёвр — не толкать корабль сквозь пространство, а заставить само пространство двигаться.

Вортоны — это гипотетические замкнутые петли искривлённого пространства-времени, своего рода невидимые космические обручи, возникающие как реликты Большого взрыва. Толщиной меньше атомного ядра, но с массой, превосходящей звёздную, они вращаются, подобно гигантским каруселям, увлекая за собой окружающее пространство.

Чёрная дыра — не бездонная воронка, а космическая кастрюля. Вещество внутри неё подчиняется законам, напоминающим поведение воды: при одних условиях оно подобно кипящему пару, при других — остывающей жидкости.

Телескоп Джеймса Уэбба разглядел в ранней Вселенной россыпь компактных объектов, которые прозвали «маленькими красными точками». Они слишком красные и слишком тусклые для обычных квазаров, и астрофизики ломают голову, что их питает.