задержка времени

Луч света, пролетающий мимо массивного тела, отклоняется — это эффект гравитационного линзирования, знакомый по снимкам далёких галактик. Астрофизики взяли за основу вращающуюся чёрную дыру (пространство-время Керра) и добавили крошечную поправку к тому, как распространяется сам свет.

Два фотона встречаются на полупрозрачном зеркале. Если они приходят строго одновременно, то всегда выходят вместе — плечом к плечу, словно близнецы, не желающие разлучаться. Этот эффект, открытый в 1987 году, стал основой квантовой линейки для измерения крошечных задержек.

Десятилетиями радиоастрономия вслушивалась в космос, надеясь уловить узкополосные радиопередачи — техногенный «голос» далёких экзопланет. Но наша собственная технологическая эволюция вскрывает парадокс: громкие аналоговые сигналы, подобные телевещанию 1960-х, — лишь краткий вскрик новорождённой цивилизации.

Две линейки показывают чуть-чуть разную длину одного и того же стола. Примерно так выглядит ситуация в космологии с постоянной Хаббла — числом, которое говорит, как быстро расширяется Вселенная.

Поставьте на стол два одинаковых будильника и запустите их одновременно. Если один из них окажется на скользкой поверхности и начнёт медленно сползать, его ход собьётся — и через минуту они зазвенят вразнобой. Примерно так работает новый метод, предложенный астрофизиками для сверхмассивных чёрных дыр.

В огромных ускорителях частицы пролетают детекторы за миллиардные доли секунды, и чтобы отличить одну от другой, нужен секундомер невероятной точности. Новый детектор µRWELL-PICOSEC действует как такой секундомер: он ловит момент пролёта частицы с точностью до 48 пикосекунд — это 48 триллионных долей секунды. Секрет в том, что детектор объединяет два явления.

В 2017 году детектор IceCube поймал нейтрино из далёкой галактики TXS 0506+056. Это как услышать звонок из-за океана: сигнал пришёл оттуда, где рождаются самые энергичные частицы во Вселенной. Одновременно с нейтрино астрономы заметили вспышку гамма-лучей, а через два-три года — радиоволны. Почему радио опоздало?

Две монетки подбрасывают в разных городах, но выпадают они всегда одинаково. Физики называют это запутанностью: частицы ведут себя так, будто между ними есть невидимая нить. Однако вдруг нить не мгновенная, а просто очень быстрая, но всё же не быстрее света? Тогда между измерениями может успеть проскользнуть какой-то сигнал, и совпадения объяснятся без всякой магии.

Гравитационные волны — это рябь пространства, которую рождают, например, пары сверхмассивных чёрных дыр, кружащих друг вокруг друга. Чтобы их уловить, учёные следят за пульсарами — мёртвыми звёздами, которые шлют радиоимпульсы с точностью часов.

Пара нейтронных звёзд — это как два тяжёлых шара, которые медленно сближаются по спирали. Они родились вместе из двойной системы массивных звёзд, но до самого столкновения могут пройти сотни миллионов лет. Когда шары наконец сталкиваются, вспыхивает короткий гамма-всплеск — ярчайший взрыв, который видно через пол-Вселенной.

Время не абсолютно: вблизи массивных тел оно течёт медленнее. Этот эффект гравитационного замедления времени — прямое следствие общей теории относительности Эйнштейна.

Свет квазара PS J2305+3714 летит к нам больше одиннадцати миллиардов лет. По дороге он проходит рядом с массивной галактикой, которая своей гравитацией искривляет его путь, как тяжёлый шар прогибает натянутую простыню. В телескоп мы видим не один квазар, а два его изображения — два огонька, которые на самом деле один и тот же далёкий объект.

Масса искривляет пространство-время, подобно тому как тяжёлый камень продавливает асфальтовую дорогу. Свет, проходя вблизи массивного тела, огибает эту вмятину — область искривлённого пространства-времени, — его путь удлиняется, и он прибывает с опозданием.

Линейка из света — так можно назвать новый метод измерения крошечных временных задержек. В 1987 году Чонг Ки Хонг, Чже-Юй Оу и Леонард Мандель заметили: если два неразличимых фотона одновременно попадают на светоделитель, они всегда выходят вместе из одного порта.

Океан не всегда следует одному и тому же расписанию. Иногда тёплое течение Эль-Ниньо усиливается, иногда ослабевает, и каждый режим диктует свою скорость реакции на прошлое. Эти скрытые режимы похожи на смену течений, которые помнят пройденный путь с разной глубиной.

Картограф, прокладывающий маршрут через горный хребет, отмечает не только вершины и долины, но и перевалы, где тропа резко меняет направление.

Океан помнит своё прошлое. Тепло, отданное воде у берегов Норвегии, не исчезает бесследно: оно отправляется в долгое путешествие через Атлантику, чтобы вернуться через десятилетия и снова изменить температуру у тех же берегов. Это не метафора, а физика тепловых волн Россби, которые бегут на запад со скоростью пешехода и несут с собой память о том, что было.

Волна уходит на запад, отражается от берега и возвращается через полгода, чтобы изменить температуру у восточных берегов Тихого океана. Это путешествие волн Россби и Кельвина формализм Мори-Цванцига превращает в уравнение с памятью. Раньше климатологи добавляли запаздывание в модели Эль-Ниньо по наитию, опираясь на физическую интуицию.