квантовая гравитация и симметрия

Обычное зеркало меняет местами левое и правое. Многие законы физики не замечают такой подмены — они зеркально симметричны. Но некоторые явления, например слабое взаимодействие, эту симметрию нарушают. До сих пор считалось, что гравитация и свет нарушают зеркальность каждый по-своему, независимо.

Сверхчувствительные весы пытаются уловить разницу между двумя почти одинаковыми песчинками. Одна из них — идеальное отражение другой, как в зеркале. В мире элементарных частиц такое зеркальное отражение называют P-чётностью — фундаментальной симметрией, которая, как выяснилось, нарушается в слабых взаимодействиях.

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.

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.

Представьте старый дом. Фасад свежевыкрашен, лестница не скрипит — красивая картинка. Но стоит внести тяжёлую мебель, и половицы проваливаются. Красота фасада ничего не говорит о прочности перекрытий. Примерно так же обстоит дело с чёрными дырами без сингулярности — гипотетическими объектами, где коллапс вещества не приводит к бесконечной плотности в точке.

Облако волн сжимается под собственной тяжестью. Пока оно рыхлое, всё идёт по учебнику: гравитационное поле слегка колеблется в почти плоском пространстве, и приближённые формулы работают отлично. Но стоит добавить чуть больше энергии — и картина меняется. Физики использовали численную модель, чтобы поймать момент, когда простые расчёты перестают описывать реальность.

В центре почти каждой галактики прячется сверхмассивная чёрная дыра. Её гравитация настолько сильна, что меняет само пространство. Но мало кто задумывается: а что она делает с самой тканью реальности — с полями, которые пронизывают космос? Одно из таких полей — поле Хиггса.

Стандартная модель физики частиц — это каталог всех известных кирпичиков мироздания: электронов, кварков и других. Но она молчит о тёмной материи и не дружит с гравитацией. Новая работа делает смелый шаг: к каждому кирпичику из каталога добавляется его зеркальное отражение с противоположным вращением.

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.

Световой луч, скользящий вдоль горизонта чёрной дыры, не просто движется — он несёт с собой тепло и информацию. Физики давно подозревали, что геометрия таких лучей подчиняется строгим правилам, но детали оставались размытыми. Новая работа превращает эти правила в чёткое неравенство.

Гравитация в нашем мире — это искривлённое пространство-время. Так её описывает общая теория относительности Эйнштейна. Но что происходит с гравитацией на уровне атомов и частиц, где правит квантовая механика? Этот вопрос остаётся без ответа уже почти век.

13,8 миллиардов лет назад Вселенная кружилась в вальсе. Поворот направо был запрещён. Сегодня отголоски того космического бала доходят до нас в виде едва уловимой ряби пространства-времени — гравитационных волн. Их существование предсказал Эйнштейн.

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.

Два луча света встречаются в одной точке и расходятся дальше. Их пути образуют две перекрещивающиеся поверхности в пространстве-времени — нулевые гиперповерхности (границы, по которым распространяется свет). Именно на такой паре поверхностей физики умеют задавать начальные данные для уравнений Эйнштейна. Это называется характеристической задачей Коши.

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 центре многих галактик прячутся сверхмассивные черные дыры. Одна из них — Стрелец А* в сердце Млечного Пути — стала полигоном для новой идеи. Авторы работы взяли эйнштейновскую гравитацию и добавили к ней необычное электромагнитное поле.

Стандартная модель космологии, опирающаяся на уравнения поля, предложенные Эйнштейном, описывает Вселенную как коктейль из тёмной материи (открытой благодаря Вере Рубин) и тёмной энергии в пропорции примерно 1:3.

В центре галактики M87, в 55 миллионах световых лет от нас, притаилась чёрная дыра массой как 6,5 миллиардов Солнц. В 2019 году телескоп Event Horizon Telescope (EHT) впервые показал её портрет: оранжевый бублик с тёмной сердцевиной. Но бублик — не сама бездна. Это светящийся газ, разогретый до миллиардов градусов, который кружится перед тем, как исчезнуть навсегда.

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.

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

Вселенную можно представить как мыльный пузырь, раздувающийся в многомерной пене. Модель тёмного пузыря объясняет ускоряющееся расширение космоса: пузырь пространства-времени растёт, и его плёнка приобретает крошечную толщину — порядка микрона, сравнимую с размером бактерии. На таких масштабах гравитация «расплывается» в этой толщине и ослабевает.

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.

В горячей молодой Вселенной, словно в переполненном танцевальном зале, кружились магнитные монополи — частицы-одиночки, несущие только северный или только южный полюс. В обычном магните полюса всегда парой, а здесь каждый сам по себе. Теории, объединяющие все силы природы, предсказывают, что таких частиц должно было появиться огромное множество, но сегодня мы их не видим.

Время — штука капризная. Внутри массивной звезды оно течёт спокойно, как песок в старых часах на каминной полке. А снаружи, в масштабах всей Вселенной, оно растягивается вместе с пространством — будто те же часы попали в лифт, который то ускоряется, то замедляется. Долгое время физики ломали голову: можно ли склеить эти два мира так, чтобы швов не было видно? Авторы новой работы взяли два куска пространства-времени.

Мыльный пузырь висит в воздухе, и его форма уже содержит всё, что нужно для расчёта внутреннего натяжения. Похожий принцип сработал в новой работе по квантовой гравитации. Физики взяли замкнутую поверхность — аналог такого пузыря — и задали на ней несколько чисел: например, силу электрического поля и кривизну.

Тень чёрной дыры — не просто силуэт. Это край бездны, где пространство и время закручены так, что даже свет вынужден кружить, словно щепка в водовороте. Такой «космический водоворот» возникает из-за чудовищной массы, искривляющей пространство-время.

Квантовый мир пронизан фундаментальными неопределённостями: например, принцип неопределённости Гейзенберга запрещает одновременно точно измерить координату частицы и её импульс.

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.

Два наэлектризованных шарика притягиваются друг к другу с определённой силой. Если заменить их заряды на магнитные полюса, пружинные весы покажут ровно ту же силу. С чёрными дырами, оказывается, та же история — только вместо пружин работает сама ткань пространства-времени.

Горизонт чёрной дыры часто рисуют как одностороннюю мембрану: всё падает внутрь, ничто не выходит наружу. Но что, если это не пустая граница, а облако из мельчайших «кусочков» самого пространства-времени? В новой работе физики рассматривают чёрную дыру как конденсат таких кусочков — подобно тому, как пар сгущается в капли воды.

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.

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.

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.

Тяжёлый предмет падает в пруд — и во все стороны бегут круги. Примерно так же любое движение массивного тела порождает рябь в ткани пространства: гравитационные волны. Но стоит попытаться описать эту рябь по законам микромира, как вычисления взрываются бесконечностями. Авторы новой работы нашли способ обуздать эти взрывы.

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.

Когда чёрные дыры сближаются и разлетаются — без слияния, лишь чиркнув гравитационными полями — они становятся идеальными снарядами для проверки законов гравитации. В экстремальных полях, где замедление времени достигает чудовищных величин, любая трещинка в теории засияет ослепительной вспышкой.

В первую секунду после Большого взрыва Вселенная представляла собой кипящий котёл энергии. Пары «частица–античастица» непрерывно рождались и мгновенно аннигилировали. Однако на каждый миллиард таких пар одна частица вещества выживала — и этот ничтожный остаток стал впоследствии звёздами, планетами и, в конечном счёте, нами.

Бросьте камень в пруд — круги расходятся, меняя масштаб волны. Примерно так же работает новая теория: она наделяет каждую частицу своим «масштабным кругом», и именно это искривление невидимого пространства оказывается источником массы.

Карандаш, уроненный на пол, ударяется сразу всей поверхностью. Но если бы пол был квантовым — состоял из бесчисленных вибрирующих песчинок, — карандаш никогда не коснулся бы одной-единственной точки.