квантовая природа гравитации

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.

Ранняя Вселенная напоминала перегретый котёл, в котором бурлили квантовые флуктуации — случайные всплески энергии, присущие микромиру. В этом хаосе, словно пар над кипящей водой, сгустилось особое поле — скалярное. Оно стало тем «двигателем», который заставил пространство расширяться с невероятной скоростью. Этот процесс называют инфляцией.

Сразу после Большого взрыва пространство остывало неравномерно. В некоторых местах могли возникнуть топологические дефекты — складки пространства, тонкие, как волос, но невероятно плотные нити энергии. Физики называют их космическими струнами.

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.

Массивный алюминиевый цилиндр весом в тонну висит в вакууме. Сквозь него проходит гравитационная волна — рябь пространства-времени, — и брусок начинает едва заметно дрожать. Эту дрожь можно услышать как звук: гравитационная волна превращается в фонон — квант звуковых колебаний.

В большом оркестре мироздания у каждого инструмента свой ритм. Электроны в атоме совершают квантовые скачки за фемтосекунды, нейроны в мозгу обмениваются сигналами миллисекундами, а человеку, чтобы осознать «сейчас», нужны десятые доли секунды. Физики давно ищут дирижёра, который сводит эти разномасштабные партии в единую мелодию направленного времени.

Взрыв далёкой сверхновой рассказал нам то, во что трудно поверить: мир расширяется всё быстрее. Двигателем этого ускорения служит тёмная энергия — почти 70% всего сущего.

Пространство, в котором мы живём, кажется трёхмерным. Но когда физики пытаются примирить гравитацию с квантовой механикой, привычные измерения начинают вести себя странно. В новой работе учёные показали, что для описания массивной частицы с учётом квантовых эффектов гравитации естественно добавить ещё два измерения.

Стереть даже один бит — значит выделить тепло. Это открытие Рольфа Ландауэра, известное как принцип Ландауэра, намекнуло: информация не материальна, но и не иллюзорна — её стирание имеет физические последствия. Представьте, что любое событие отбрасывает тень — это и есть информация, собрание всех несбывшихся возможностей.

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).

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.

Сверхпроводник проводит ток без сопротивления — как вода, бегущая по трубе без трения. Секрет в электронных парах: два электрона слипаются в одно целое, хотя обычно отталкиваются. В обычном сверхпроводнике спины электронов в паре смотрят в разные стороны — это синглетное состояние. Его можно сравнить с двумя фигуристами, которые кружатся спина к спине.

Представьте Вселенную как книгу с конечным числом страниц. Её ускоренное расширение, движимое тёмной энергией — загадочной субстанцией, расталкивающей пространство, — действует словно невидимый переплёт: далёкие страницы навсегда скрепляются, становясь недоступными главами.

Иногда в уравнениях заводится лишнее — как скрипучая половица, которая не даёт покоя всему дому. В теории гравитации, если добавить в уравнения квадраты кривизны (а это нужно, чтобы описать очень сильные поля), появляется частица-призрак — тяжёлая, но с отрицательной энергией.

Два мячика, подвешенные на нитях, раскачиваются рядом. Каждый движется сам по себе, но между ними есть невидимая нить — притяжение масс. Если гравитация квантовая, она могла бы связать их в единое целое: дёрнешь один — отзовётся другой, даже без касания.

В 2015 году детекторы LIGO поймали первый всплеск гравитационных волн — астрономы услышали, как далеко в космосе столкнулись две чёрные дыры. Эта рябь пространства-времени дошла до нас, сохранив форму сигнала: словно звук колокола, пролетевший миллиарды лет без искажений.

Представьте два хора в звуконепроницаемых комнатах на шаткой сцене. Они поют, но не слышат друг друга — воздух не доносит мелодию. И всё же, если сцена дрожит, её вибрации связывают их песни. На этой идее построена новая проверка квантовой гравитации.

Гравитация в представлении общей теории относительности подобна натянутому батуту: массивные тела продавливают его, создавая искривление, которое заставляет другие тела скатываться к ним. Это общее искривление пространства-времени — гравитация — действует на всё вещество, но не передаёт никакой скрытой информации.

Всё началось с крошечных квантовых мерцаний — флуктуаций вакуума — на первозданном холсте ранней Вселенной. Инфляция — лавинообразное, экспоненциальное расширение пространства, предложенное Аланом Гутом, — растянула эти мазки до размеров галактик и их скоплений.

Знаменитый мысленный эксперимент Эрвина Шрёдингера с котом демонстрирует парадокс квантовой суперпозиции: по законам микромира кот может быть одновременно жив и мёртв. Но попробуйте проделать то же самое со столом — и квантовая неопределённость исчезнет. Почему?

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.

Представьте тяжёлые шары, лежащие на упругом батуте: каждый прогибает ткань, и их вмятины пересекаются, заставляя шары скатываться друг к другу. Эта аналогия помогает понять, как гравитация — искривление пространства-времени — связывает массивные частицы. Но что, если свести воедино гравитацию и квантовую механику?

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.

Атом, возбуждённый светом, через мгновение отдаёт энергию обратно — испускает фотон. Этот процесс похож на уставшего бегуна, который сбрасывает груз. Но если бегун стоит на склоне горы, ему труднее разогнаться. Гравитация действует на атом похоже: вблизи массивного тела время течёт медленнее, и атом излучает иначе.

Чёрные дыры редко пребывают в абсолютной изоляции. Их часто окутывают невидимые облака из гипотетических частиц тёмной материи — настолько лёгких, что они ощущают лишь гравитационное взаимодействие, почти не сталкиваясь друг с другом и с обычным веществом.

Представьте два массивных шара в космической пустоте. Толкните один — и второй ощутит толчок лишь через мгновение: гравитационное воздействие распространяется, как эхо от крика в горах, с неизбежной задержкой. Так искривлённое пространство-время передаёт сигнал локально, шаг за шагом — это предсказано ещё Эйнштейном.

Водопад не спрашивает, готовы ли вы к прыжку. Его поток ускоряется, и в какой-то момент даже свет не может вырваться обратно. Чёрная дыра МакВитти — это такой водопад, но не в обычной реке, а в расширяющейся Вселенной: вода здесь — само пространство, которое непрерывно растягивается, унося галактики друг от друга. Долгое время оставалось неясным, можно ли вообще упасть в эту дыру.

Два сосуда с водой разной температуры соединены тонкой перегородкой. Пока перегородка цела, каждый сосуд живёт своей жизнью: в одном вода горячая, в другом — ледяная. Но стоит убрать перегородку, как температуры начинают выравниваться, и в конце концов оба сосуда приходят к одному состоянию.