пространство-время

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.

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.

Десятки радиотарелок, разбросанных по Земле, годами слушают тиканье далёких пульсаров — мёртвых звёзд, которые вращаются и шлют импульсы строже атомных часов. Когда между звездой и нами проходит гравитационная волна — рябь пространства-времени, — тиканье чуть-чуть сбивается. Сеть таких часов и есть пульсарный тайминг, а сбои — след гравитационной ряби.

Ньютон подарил нам мир, где тела движутся в пустоте, а часы тикают одинаково для всех. Три века эта картина работала безотказно. Но в ней много невидимых подпорок: абсолютное положение, направление «верх-низ», единый для всей Вселенной ритм времени. Мы никогда не измеряли их напрямую — только через отношения между предметами.

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.

В привычной картине мира событие — это точка на карте пространства-времени: «здесь и сейчас», без размера и внутреннего устройства.

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.

Часы во Вселенной — штука хитрая. Обычно в расчётах рождения мира роль часов играет особое скалярное поле — нечто вроде невидимой жидкости, заполняющей всё пространство. Оно тикает, а физики смотрят, как меняется мир относительно этого тиканья. Но часы эти — рукотворные, их ввели для удобства. Авторы новой работы пошли другим путём.

В тишине квантового мира нет пустоты. Частицы переплетены невидимыми нитями — квантовой запутанностью, состоянием, при котором две частицы, даже разнесённые на огромные расстояния, мгновенно чувствуют изменения друг друга. Авторы работы предположили, что сама ткань пространства-времени сплетена из этих нитей.

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.

Общая теория относительности, описывающая устройство Вселенной, не запрещает петли во времени. Но Стивен Хокинг выдвинул гипотезу о «защите хронологии»: квантовые эффекты должны разрушать такие петли, делая путешествия в прошлое невозможными.

Пространство не пустота, а мозаика из мельчайших ячеек. В петлевой квантовой гравитации кривизну пространства-времени переносят с гладкого листа на сеть из «атомов» объёма — спиновых сетей. Каждый узел такой сети — квант пространства, а связи между ними — кванты площади. Но как эта мозаика меняется со временем?

Глиняный шар мнётся в ладонях, меняет форму, но не рвётся — одни участки растягиваются, другие сжимаются. Примерно так физики работают с пространством-временем, только вместо пальцев у них уравнения, а вместо глины — шестимерный мир.

Двое синхронных пловцов ныряют в море. Один попадает в штиль, другой — в водоворот. Их движения, идеально согласованные на старте, расходятся. Примерно так же ведут себя две квантовые частицы, когда одна движется в плоском пространстве, а другая — в искривлённом.

Бескрайний океан, где каждая волна несёт информацию о том, что происходит в глубине. Примерно так устроена наша Вселенная в рамках голографического принципа: физика внутри объёма может быть описана через процессы на его границе.

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.

В квантовой физике есть теории, где всё подчиняется чётким пропорциям — как музыкальный ритм, который всегда возвращается к началу такта. Но существуют и «иррациональные» теории, где ритм ломается и предсказать следующий удар почти невозможно. Одна из таких — теория компактифицированного бозона: частица живёт на окружности, и её поведение зависит от радиуса этой окружности.

Бегун на середине дистанции вдруг переходит на шаг — не ускоряется и не замедляется, а сохраняет постоянный темп. Нечто подобное могло происходить с самой Вселенной вскоре после Большого взрыва. Эту фазу назвали «стазис» — от греческого слова «стояние».

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.

Расширение Вселенной похоже на надувающийся воздушный шар: галактики разбегаются, а само пространство растягивается. В такой картине — её называют пространством де Ситтера — есть особая точка зрения: наблюдатель видит лишь часть мира, ограниченную горизонтом, за который не проникает свет.

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.

Строитель проверяет прочность арки не тем, что прокручивает в голове все возможные её формы, а тем, что слегка мысленно её сдвигает и смотрит, сколько сил при этом тратится. Примерно так устроен принцип виртуальной работы в механике. Авторы новой работы перенесли этот подход на саму геометрию пространства-времени. Они построили ковариантную структуру виртуальной работы для метрики.

Гравитацию обычно объясняют через искривление пространства-времени. Массивные тела продавливают его, как шар для боулинга — натянутую резиновую плёнку. Но у этого подхода есть два менее известных близнеца. В одном гравитация возникает из кручения (скрученности) пространства-времени, в другом — из его неметричности (когда меняются длины и углы при переносе).

Обычная бублик-поверхность, только не гладкая, а пронизанная невидимыми слоями — как слоёное тесто, где каждый слой чуть повёрнут относительно соседа. Так устроена контактная структура на трёхмерном многообразии: в каждой точке задана плоскость, и эти плоскости плавно закручиваются, касаясь друг друга по особому закону.

Вселенная расширяется всё быстрее благодаря тёмной энергии — загадочной субстанции, пронизывающей космос и отвечающей за ускоренное расширение. Но измерения скорости этого расширения дают противоречивые результаты. Новое объяснение: в прошлом тёмная энергия работала как тормоз, замедляя разбегание галактик, а затем переключилась на разгон.

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.

Пространство-время часто уподобляют туго натянутой ткани: массивное тело продавливает её, искривляя путь света. Вращение же закручивает эту ткань спиралью — возникает гравитационная воронка. Она способна запутать пролетающий фотон с самим источником вращения, например, крошечным зеркальцем.

Гравитационные волны — это колебания самой ткани пространства-времени, возникающие при катастрофических событиях, таких как слияние чёрных дыр или других сверхмассивных объектов.

Фотографию с очень высоким разрешением можно увеличивать долго — и вдруг гладкое лицо рассыпается на отдельные пиксели. Нечто похожее, согласно новой работе, происходит с самим пространством-временем. Авторы предположили, что крошечные промежутки длины — это не готовые «детали» мироздания, а результаты измерений.

Старый механический будильник тикает на полке. Вы слышите мерный звук, видите, как движутся стрелки, — и уверены, что время идёт. Но если разобрать часы, внутри не найдётся ни одной детали с надписью «время». Только пружины и шестерёнки.

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

Пространство-время — не пассивная сцена, а динамическая ткань, которую массивные объекты деформируют, словно натянутый шёлк под тяжестью шаров. В каждой такой гравитационной складке закодирована информация — и, согласно принципу Ландауэра, стирание любого бита требует выделения тепла.

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.

Мироздание — не сплошной монолит, а полотно из бесчисленных квантовых нитей. Пространство-время не течёт как вода, а вибрирует как гобелен на ветру. Долгое время физики видели только общий рисунок, пренебрегая дрожью отдельных нитей. Но если прислушаться, эта дрожь сливается в подобие звука — не слышимого ухом, но похожего на волну в натянутой струне.

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.

Камень падает в колодец, и всплеск доходит до ушей с задержкой. Что-то похожее происходит со светом, когда он улетает от Земли: его колебания становятся реже, луч словно «устаёт». Это гравитационное красное смещение — явление, о котором сто лет назад говорил Эйнштейн. Массивная планета замедляет само время, и свет это чувствует.

Бросьте камень в пруд — и по воде побегут круги. Когда камень тонет, волны расходятся и постепенно затихают. Но если заглянуть в самую суть пространства-времени, окажется, что оно работает не совсем так. Пролетающая мимо звезда или даже крошечная частица оставляют после себя не просто рябь, а постоянное смещение — как если бы после прохода лодки уровень воды в одном месте навсегда чуть-чуть изменился.

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.