условие нулевой энергии

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.

Невидимый гравитационный каркас удерживает галактики от разлёта. Это тёмная материя — субстанция, которая не излучает свет и почти не взаимодействует с обычным веществом, кроме как через гравитацию. Астрофизики давно спорят о её природе.

Космологическая стандартная модель — это фундаментальная теоретическая схема, описывающая эволюцию Вселенной, — похожа на рецепт пирога, где всё строго отмерено: тёмная материя — гипотетическая форма материи, не участвующая в электромагнитных взаимодействиях, — как мука без комочков (давление ноль), а тёмная энергия — загадочная субстанция…

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.

В классической физике существует фундаментальное ограничение: плотность энергии не может быть отрицательной, а её поток не может превышать скорость света. Представьте кафе: официант не способен разносить заказы быстрее, чем бегает сам. Физики называют это условием энергодоминантности (dominant energy condition).

В обычном мире без тёмной энергии масса любого тела всегда положительна. Это кажется очевидным: положительная масса притягивает, создавая гравитацию. Но в реальной Вселенной есть тёмная энергия — загадочная сила, заставляющая космос расширяться всё быстрее.

Бозонные звёзды — это гравитационные атомы. Только вместо электрического заряда ядром служит сама гравитация, удерживающая облако скалярного поля в квантованных сгустках. Ещё в 1930-х Ф. Цвикки заподозрил нехватку видимой массы в скоплениях галактик, а В.

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.

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.

Строить дом на песке — плохая идея. В физике долго считалось, что и квантовую теорию гравитации нельзя строить на фиксированном «песке» — заранее заданном пространстве-времени.

Шарик лежит в ямке. Сам он оттуда не выкатится — нужен толчок. Но в квантовом мире частица способна просочиться сквозь барьер без лишней энергии. Этот трюк называют туннелированием. Похожий фокус может выкинуть и вакуум Вселенной: если он не самый стабильный (физики говорят «ложный вакуум»), то однажды самопроизвольно перейдёт в другое состояние.

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.

Свет, пролетая мимо массивного тела, слегка меняет путь — гравитация притягивает даже лучи. В обычной ситуации пучок света, идущий от далёкой звезды, сжимается, словно его стягивают невидимой резинкой. Это свойство называют условием схождения лучей (null convergence condition): гравитация заставляет световые траектории сближаться, а не разбегаться.

Квантовая система похожа на остров, который постепенно размывает океан. Волны — это влияние окружения, и они стирают берега, лишая остров его уникальных очертаний. Уравнение ГКЛС (Горини — Коссаковского — Линдблада — Сударшана) как раз и описывает, как быстро исчезает эта «квантовость». Но у любой волны есть источник энергии.

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.

Странный вышел бы бильярд, если бы шары не имели массы. Они бы не сталкивались, а проходили друг сквозь друга, не замечая препятствий. Примерно так выглядит попытка представить свет как поток классических частиц — маленьких упругих телец, летящих по прямой. Новое доказательство ставит на этой картине крест.

Нейтронная звезда — это огрызок взорвавшегося гиганта, сжатый до размеров города. Чайная ложка её вещества весит миллиард тонн. Внутри такой звезды частицы упакованы так плотно, что начинают проявляться квантовые эффекты. Один из них — собственное вращение частиц, или спин.

В первые мгновения после Большого взрыва пространство вело себя как эластичная плёнка. Оно пережило взрывное расширение — инфляцию, концепцию, разработанную Аланом Гутом и Андреем Линде.

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.

Вселенная, словно игроки за карточным столом, подчиняется строгим правилам. Одно из фундаментальных условий: гравитация — всегда притяжение, а энергия не может принимать отрицательных значений.

Резиновая лента, которая становится тем толще, чем сильнее её тянешь. В электричестве такое поведение называют отрицательной ёмкостью: чем больше заряда накапливается на обкладках, тем меньше напряжение. Обычный конденсатор работает наоборот — напряжение растёт вместе с зарядом.

Вселенная расширяется с ускорением, и за это отвечает загадочная тёмная энергия — субстанция, открытая в конце 1990-х годов Адамом Риссом, Солом Перлмуттером и Брайаном Шмидтом по наблюдениям сверхновых типа Ia.

Варп-пузырь сжимает пространство-время впереди корабля и растягивает позади — как лодка, толкающая воду. Корабль не разгоняется до скорости света, а скользит внутри пузыря.

Тяжёлый шар лежит на батуте, и ткань прогибается под ним. Любой катящийся рядом мячик неизбежно скатывается к центру. Примерно так работает гравитация в масштабах целой Вселенной. Но что, если бы ткань была выгнута вверх, как купол? Тогда мячик стремился бы скатиться наружу.

С незапамятных времён физики грезят о тоннелях, пронзающих космос, — кротовых норах, способных соединить далёкие уголки Вселенной за мгновения.

Когда в далёкой галактике сталкиваются две мёртвые звезды, об этом событии нам сообщают два гонца: дрожь пространства — гравитационная волна — и вспышка света. Оба гонца бегут к нам через всю Вселенную, но их пути могут слегка отличаться. Свет иногда задерживается из-за космической пыли, а гравитационные волны проходят сквозь всё насквозь, почти не замечая препятствий.

Ядро нейтронной звезды можно уподобить натянутой струне сверхъядерной плотности. Звук, бегущий по ней, — это колебания давления, чья скорость $$c_s$$ выдаёт жёсткость материи. Новое исследование показывает, что эта космическая струна не гудит монотонно.

В 1965 году Пенроуз обрушил на физику математический гром: любая достаточно массивная звезда, сжимаясь под собственной тяжестью, неминуемо проваливается в сингулярность — область, где кривизна пространства-времени становится бесконечной, а законы физики перестают работать.

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.

Две чёрные дыры кружатся всё быстрее и сливаются в одну. Этот танец сотрясает само пространство: от места встречи разбегаются волны, похожие на круги от брошенного камня. Иногда при слиянии вспыхивает и свет. Если поймать и волны, и вспышку, можно дважды измерить расстояние до катастрофы — как будто один и тот же путь засекают по звуку и по свету.

Представьте пространство-время как огромный пруд. Варп-двигатель — это лодка, пересекающая его. Одни лодки, как знаменитый двигатель Алькубьерре, вспенивают воду хаотичными водоворотами. Другие, как конструкция Родала, скользят плавно, почти не оставляя ряби.

Представьте переполненную комнату: каждый новый входящий усиливает давление на стены. Похожий принцип работает в нейтронной звезде — сверхплотном остатке массивной звезды, где вещество сжато до ядерных плотностей. Рост плотности вызывает рост внутреннего противодействия — давления, которое физики характеризуют отношением давления к плотности энергии (величина φ).

Загадку тёмной материи — таинственной субстанции, проявляющей себя лишь через гравитацию, — изучали ещё пионеры космологии Фриц Цвикки и Вера Рубин. Долгое время её представляли холодным, безвольным каркасом, который только стягивает галактики, словно невидимый скульптор, задающий форму космической паутине.

Все тела в вакууме падают с одинаковым ускорением — этот принцип, сформулированный ещё Эйнштейном в общей теории относительности, лежит в основе нашего понимания гравитации. Однако до сих пор он был экспериментально подтверждён только для частиц обычной материи.

Обычная чёрная дыра — гравитационная ловушка, из которой ничто не может вырваться. Однако вращающаяся чёрная дыра, описываемая решением Керра, устроена принципиально иначе: в её центре находится не точечная сингулярность, а кольцо бесконечно сжатой материи — кольцевая сингулярность.