скалярный заряд

Кипящий чайник на плите со временем выкипает досуха — так и чёрная дыра, по классическим представлениям, должна постепенно исчезнуть в шипении излучения. Но что, если подлить в чайник особую добавку? В новой работе физики добавили в уравнения чёрной дыры скалярное поле — нечто вроде вездесущего фона, который слегка меняет правила игры.

Весы, на которых взвешивают не тело, а само пространство вокруг него. Так работают уравнения Эйнштейна в общей теории относительности: они связывают кривизну пространства-времени с тем, что в нём находится. В правую часть уравнения — туда, где «материя», — обычно подставляют либо плотность энергии, либо давление.

Чёрная дыра — не пылесос. Сама по себе она не притягивает всё подряд сильнее, чем обычная звезда той же массы. Но если рядом с ней есть магнитное поле, а вокруг летают заряженные частицы, начинается интересная игра. Можно вообразить карусель с магнитами: вы сидите на лошадке, а пол под вами усеян железными шариками.

В атомном ядре протоны и нейтроны упакованы так плотно, что между ними действуют силы, напоминающие туго натянутые пружины. Одни пружины сжимаются и разжимаются одинаково во все стороны — это привычные центральные силы. Другие, тензорные, ведут себя хитрее: их натяжение зависит от того, как повёрнуты частицы друг относительно друга.

Два дома с одинаковыми фасадами. Окна, двери, цвет стен — всё совпадает. Но внутри один пуст, а в другом кипит жизнь. Как узнать, не заходя внутрь? В космосе похожая задача: чёрная дыра и гравастар выглядят одинаково снаружи, но устроены по-разному. Чёрная дыра — это пустота внутри, а гравастар — тонкая оболочка с плотной сердцевиной.

Свет издалека огибает чёрную дыру, как велосипедист — крутой поворот. Чуть ближе — и он уже наматывает круги по невидимой сфере из фотонов, которую физики называют фотонной сферой. Такая сфера есть у каждой чёрной дыры, но обычно она шаткая: малейший толчок — и свет улетает прочь или падает внутрь.

Маятник в шумной комнате постоянно получает толчки от проходящих людей. Его движение — смесь регулярных качаний и случайных рывков. Нечто подобное происходит со слабыми гравитационными волнами на фоне расширяющейся Вселенной. В общей теории относительности Эйнштейна эти волны — крошечные колебания пространства-времени. Но они не изолированы.

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.

В центре многих галактик дремлют сверхмассивные чёрные дыры, окружённые аккреционными дисками и активностью активных галактических ядер. Когда вокруг них обращается компактный объект — например, чёрная дыра звёздной массы, — рождается гравитационный дуэт.

Слияние чёрных дыр — это не беззвучный удар. Родившаяся дыра дрожит и затухает, испуская гравитационные волны — рябь самого пространства. Этот сигнал называют «звоном» (ringdown), и он похож на затихающий звон колокола: у него есть основной тон и несколько обертонов.

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

Кротовая нора — это туннель, соединяющий две далёкие области Вселенной. Если бы такая нора существовала и была проходимой, частица внутри неё чувствовала бы не только гравитацию, но и силу от собственного электрического поля. Эта сила зависит от того, как искривлено пространство-время вокруг.

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.

Аккуратная стопка атомных слоёв лежит на подложке. Сверху падает невидимый луч терагерцового света, а сбоку приложено магнитное поле. Отразившись, луч чуть-чуть поворачивает свою поляризацию. Этот поворот — не дефект оптики, а прямое свидетельство: на поверхности плёнки скопился электрический заряд.

Солнце — не просто источник света, а гигантская лаборатория, где рождаются частицы-призраки. Каждую секунду сквозь ваше тело пролетают миллиарды нейтрино, почти не замечая вас. Но внутри Солнца эти частицы ведут себя иначе: они меняют свой тип на лету, словно актёр, играющий три роли в одной пьесе. Нейтрино бывают трёх сортов — электронные, мюонные и тау-нейтрино.

В младенческой Вселенной царили квантовые флуктуации — микроскопические помехи, подобные шипению ненастроенного радиоприемника.

Надувной шар сначала раздувается медленно, а потом вдруг — всё быстрее и быстрее, словно кто-то подкачивает его изнутри. Примерно так ведёт себя наша Вселенная: галактики разбегаются с ускорением. Виновницу этого разгона называют тёмной энергией. В простейшем варианте она похожа на ровный гул — космологическую постоянную, которая не меняется со временем.

Сразу после Большого взрыва пространство раздувалось с немыслимой скоростью — этот процесс называют инфляцией. Сегодня расширение Вселенной замедлилось, но галактики разбегаются всё быстрее.

В 1920-х Эдвин Хаббл заметил, что галактики разбегаются, — так было открыто расширение Вселенной.

На столе стоит стакан с водой. Для каждой молекулы все направления равны — она не различает север и юг. Это симметрия. Но если воду заморозить, молекулы выстроятся в ледяную решётку, и симметрия нарушится: появится выделенное направление. Квантовый мир умеет нарушать симметрию хитрее. Стакан замёрз, а каждая молекула по-прежнему крутится как попало.

Ладонь над горячей плитой чувствует жар, даже когда воздух вокруг кажется прохладным. Нечто похожее происходит с электронами в эффекте Ааронова — Бома: частица ощущает электрическое напряжение, хотя влетает в область, где поле уже выключено.

Если бросить в стакан с водой кубик льда, он будет плавать, пока не растает. Но если воду медленно охлаждать, в какой-то момент она вся разом схватится льдом — это фазовый переход первого рода: резкий, с чёткой границей. А бывает иначе: при нагреве магнит теряет свои свойства не скачком, а постепенно, без видимого рубежа.

Камень, брошенный в пруд, рождает круги, которые расходятся далеко. Но если бросить его в густой кисель, волны почти сразу угаснут. Примерно так ведёт себя дополнительное поле гравитации в разных математических описаниях. Авторы работы построили единый подход, чтобы рассчитать, как такое поле проявляет себя в Солнечной системе.

Если взять два тяжёлых шара и разнести их на метр, они притянутся с силой, которая слабеет в четыре раза при удвоении расстояния. Этот закон открыл Ньютон, и он работает в комнате, в Солнечной системе, в галактике. Но сохраняется ли он, когда речь идёт о сотнях миллионов световых лет? Астрономы нашли способ проверить это напрямую.

Вселенная в первые мгновения раздувалась быстрее, чем свет успевал её пересечь. Этот процесс, инфляция, оставил после себя рябь — крошечные неоднородности плотности, из которых позже выросли галактики. Спектр этой ряби обычно описывают числом: если оно ровно единица, значит, все неоднородности, большие и малые, были одинаково сильны.

В тёмных глубинах космоса прячется невидимая материя. Она не светится, но её притяжение удерживает галактики вместе. Обычно считается, что тёмная материя подчиняется тем же законам гравитации, что и столы со стульями. Новая работа предлагает иной взгляд: тёмная материя может слегка менять саму гравитацию.

Камень на столе не сдвинется без пинка. Откуда берётся это упрямство? Идея, что виновата вся остальная Вселенная, высказана больше века назад. Теперь её оформили в строгую теорию. В новой работе гравитация описывается не как притяжение тел, а как поле, которое задаёт масштаб расстояний и времени. Всё вещество во Вселенной создаёт это поле.