полуклассическая гравитация

Сверхпроводник выталкивает магнитное поле, как губка выжимает воду. Этот эффект Мейсснера известен почти век, но обычно его рассматривают в плоском пространстве-времени — без учёта гравитации. В сильном гравитационном поле, например, вблизи чёрной дыры, или при релятивистских скоростях картина меняется.

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.

Чёрная дыра — не вечный пылесос. Она медленно теряет массу, испуская частицы, словно нагретый камень, который остывает, отдавая тепло. Этот процесс, открытый Стивеном Хокингом, для больших дыр идёт еле заметно, но для крошечных — массой с гору — превращается в бурное испарение.

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.

Чёрная дыра, в которую что-то падает, может не просто испаряться миллиарды лет, а лопнуть, как мыльный пузырь, и стать своей противоположностью — белой дырой. Такой сценарий подсказали численные эксперименты с полуклассической гравитацией.

Горячий чай остывает, маятник замирает — природа любит равновесие. Но чёрная дыра с зарядом может достичь особого, экстремального состояния: масса становится минимальной, а температура падает до нуля. Это не просто остановка теплового движения — в новом исследовании выяснилось, что в такой точке замирает и квантовая сложность.

В двумерной вселенной чёрная дыра похожа на воронку в пространстве-времени. Но авторы новой работы пошли дальше: они предположили, что само пространство, где «живут» импульсы частиц, тоже изогнуто — как седло. Они взяли обычную чёрную дыру BTZ (трёхмерный родственник реальных чёрных дыр) и добавили квантовую рябь в геометрию импульсов.

Барабанная перепонка у самого края водопада. Звук здесь ведёт себя странно: эхо не множится, а затихает. Именно так выглядят гравитационные волны у горизонта чёрной дыры — границы, за которой исчезает даже свет.

Агония одинокой чёрной дыры длится вечность. Но в последние мгновения, когда масса испаряется по закону, открытому Хокингом, она успевает послать радиопрощальный сигнал. Не квантовый шёпот, а классический гул — если только рядом есть магнитное поле.

Представьте, что вы пытаетесь сфотографировать крылья колибри обычной камерой — получится лишь размытое пятно. Чтобы запечатлеть их чётко, делают множество быстрых кадров с разных ракурсов и объединяют в одно изображение.

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.

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.

Камертон ударили молоточком — и он вибрирует, а звук постепенно затихает. Примерно так же ведёт себя чёрная дыра, если её возмутить: она испускает гравитационные волны — рябь самого пространства — и успокаивается.

В центре внимания — чёрная дыра с двумя рубежами невозврата: внешним и внутренним горизонтами. За внешним горизонтом пространство и время меняются ролями, но путь ещё не окончен. Дальше, у внутреннего горизонта, гравитация готовит новый сюрприз.

Гравитация кажется простой: она удерживает нас на поверхности Земли и заставляет планеты обращаться по орбитам. Однако если предположить, что гравитация остаётся классической — то есть описывается уравнениями Эйнштейна как искривление пространства-времени, — в то время как всё вещество подчиняется квантовым законам…

Луч фонарика уходит в темноту по прямой — так мы привыкли думать о свете. Но рядом с массивным телом, звездой или чёрной дырой, пространство искривлено, и луч плавно изгибается, словно его ведёт невидимая рука. Авторы новой работы разобрали, как именно гравитация меняет привычные законы электричества и магнетизма.

Оркестр играет вразнобой, и звук кажется хаосом. Но если записать все ноты и проанализировать их математически, можно восстановить форму концертного зала — где стены, какой высоты потолок. Примерно так физики предлагают выводить гравитацию из квантовой теории. В обычной жизни пространство и время — это сцена, на которой разыгрываются события. Но в микромире сцена сама становится зыбкой.

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

Почти век космологи бьются над загадкой: что заставляет Вселенную расширяться всё быстрее? Стандартный ответ — тёмная энергия — порождает чудовищное расхождение между теоретической плотностью вакуума и наблюдениями. Но есть иной, переворачивающий причинность путь.

Световой луч скользит вдоль горизонта чёрной дыры — той невидимой границы, откуда ничто не может вырваться. Чем ближе луч к горизонту, тем медленнее тянется его собственное «время» — особая мера пути, называемая аффинным параметром. Этот параметр нарастает не плавно, а взрывным образом, как снежный ком, катящийся с горы: каждый следующий миг приносит всё больший прирост.

Когда массивная звезда исчерпывает топливо, её ядро схлопывается под собственной тяжестью. Внутри образуется чёрная дыра — область, где гравитация настолько сильна, что даже свет не может выбраться. Долгое время считалось, что в самом центре скрывается точка бесконечной плотности — сингулярность.

Обычная лампочка при нагреве светит ярче — это знает каждый. Но чёрная дыра размером с атомное ядро живёт по другим законам. Когда она испаряется, испуская частицы из-за квантовых эффектов у самой границы (горизонта событий), её свечение не растёт с температурой, а падает. Причина — в резкой потере массы: дыра худеет так быстро, что не успевает разогреться.

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.

Если бросить в кипящую воду кусок льда, он будет таять, пока не исчезнет. Примерно так же ведёт себя чёрная дыра в космосе — только «кипятком» здесь служит само пространство, которое непрерывно вытягивает из неё энергию. В новой работе физики разобрали судьбу особого типа чёрных дыр — тех, что не только обладают массой, но и несут электрический заряд.

Глубинные уравнения физики, например уравнение Уилера–ДеВитта — фундаментальная формулировка квантовой гравитации, — не содержат времени. Прошлое и будущее в них перепутаны, как кадры на киноплёнке, где нет указателя, куда её крутить.

Звук распространяется сквозь среду с определённой скоростью. Когда среда движется быстрее звука, волны увлекаются потоком — подобно щепке, затянутой в водоворот. В сверхтекучем гелии — жидкости, лишённой вязкости и трения — быстрое вращение порождает квантованные вихри, напоминающие микроскопические воронки.

Современные детекторы гравитационных волн подтверждают, что чёрные дыры — не математическая абстракция, а реальные объекты. Пространство-время можно сравнить с гигантским батутом: массивные звёзды продавливают его, искривляя ткань реальности.

Воздушный шарик с нарисованным узором сдувается — и узор идёт рябью, деформируется. Примерно то же самое происходит с чёрной дырой, которая медленно испаряется, теряя энергию через излучение, открытое Стивеном Хокингом.

Бросьте камешек в колодец — и звук расскажет о его глубине. Примерно так же астрофизики слушают черные дыры: после слияния или другого возмущения дыра вибрирует, испуская гравитационные волны. Частота и затухание этого «звона» зависят от того, что у дыры внутри.

Голография — это идея, что всё происходящее внутри объёма можно записать на его границе, как изображение на голограмме. В физике это помогает связывать гравитацию с квантовым миром. Но иногда из голографических правил не получается собрать привычное пространство-время, и учёные ищут, где именно ломается механизм.

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.

Представьте пространство-время как идеально гладкую поверхность озера, а квантовые частицы — как рыб, скользящих в его толще. Их движение не может не возмущать воду: математический аппарат теории требует, чтобы такая «поверхность» непрерывно дрожала, иначе вся конструкция теряет устойчивость.

Вода в кастрюле закипает, и со дна поднимаются пузырьки. Они растут, всплывают и лопаются, а вода остаётся водой. Нечто похожее, как выяснили физики, может происходить с самим пространством — если в нём есть тёмная энергия (загадочная сила, разгоняющая расширение мира). В такой вечно раздувающейся Вселенной иногда рождаются чёрные дыры.

Стандартная картина испарения чёрной дыры, нарисованная Хокингом, долго казалась успокаивающей: квантовые флуктуации у горизонта порождают тепловое излучение, дыра медленно тает, и пространство-время за ней остаётся гладким. Однако это было похоже на облако, не замечающее, как оно тает под собственным дождём.

В сильном магнитном поле электроны в тонкой металлической плёнке движутся по круговым орбитам. Если толщина плёнки сравнима с размером такой орбиты, сопротивление начинает осциллировать — это осцилляции Зондхаймера, известные с середины прошлого века как чисто геометрический эффект.

В классической механике электрон, обращаясь вокруг ядра, должен непрерывно терять энергию на излучение и по спирали падать на ядро — подобно сёрферу, который, теряя скорость, соскальзывает с доски. Однако атомы стабильны на протяжении миллиардов лет. Причина в том, что космос не является пустым.

Сжатая до предела пружина ломается — так и классическая теория гравитации приводит к сингулярности, точке, где кривизна пространства-времени становится бесконечной, а известные законы физики теряют смысл. Квантовая механика превращает этот конец в упругий отскок.

Первичные чёрные дыры ведут себя подобно закипающим чайникам: в процессе испарения они испускают «свист» — гравитационные волны, рябь самого пространства-времени.

Квантовый компьютер IBM Heron R3 справился с задачей, перед которой отступил классический метод. Речь о поиске основного состояния — самого низкого энергетического уровня системы из 49 квантовых битов. Классический метод SCI (selected configuration interaction) перебирает варианты, но на этой задаче он не нашёл правильный ответ.

Свет, запертый в крошечной полости, похож на маятник, который толкают всё сильнее. Сначала он качается плавно и предсказуемо, как обычные часы. Но если раскачать его достаточно сильно, движение становится странным: маятник словно оказывается в двух крайних точках одновременно.