Астрофизики находятся на пороге понимания природы памяти нашей Вселенной

Когда черные дыры сталкиваются друг с другом в отдаленных уголках Вселенной, они высвобождают энергию в виде гравитационных волн. Это можно сравнить с рябью, которую создает на поверхности пруда брошенный камешек. Только в данном случае эти волны проходят через пространство-время.Вселенная хранит память о гравитационных волнах - и скоро мы ее отыщем (Sleepless Eyes)

"В водоеме, после того как рябь исчезает, поверхность воды вновь становится гладкой, - говорит Дэвид Гарфинкл, космолог из Оклендского университета в Мичигане. Можно было бы предположить, что после прохождения гравитационной волны ткань Вселенной также возвращается в нормальное состояние. "Но это не так, - говорит Гарфинкл. На самом деле общая теория относительности Альберта Эйнштейна, (согласно которой гравитация возникает в результате искривления пространства-времени под воздействием массы объектов) предсказывает, что гравитационные волны должны незаметно изменять структуру пространства-времени по мере их прохождения. Другими словами, Вселенная помнит все.

Этот эффект "гравитационной памяти" настолько слаб, что его вполне можно считать гомеопатическим. Однако в последние годы несколько оптимистично настроенных астрофизиков взялись за попытку доказать его существование. "Эндрю Строминджер, физик-теоретик из Гарвардского университета, говорит: "Они хеджируют свои ставки относительно того, когда это произойдет, но никто не говорит, что мы не можем это измерить". И теперь, когда гравитационных волн становится все больше и больше, мы, возможно, находимся на пороге прорыва.

Такое открытие будет иметь далеко идущие и даже революционные последствия. Гравитационная память будет свидетельством скрытой формы симметрии, которая, как считается, пронизывает всю Вселенную. Это, в свою очередь, дало бы жизненно важные и потенциально решающие подсказки о квантовой теории гравитации - и о том, из чего в конечном итоге состоит пространство-время.

Моделирование показало, что пролетающая мимо звезда может выбросить нашу планету из Солнечной системы

Корни этой идеи уходят в далекие 60-е, когда физику Джозефу Веберу показалось, что он сделал невероятное открытие. Используя небольшие вибрирующие алюминиевые стержни, он уловил сигнал, который, как он утверждал, был первым обнаружением гравитационных волн. Заявление Вебера вызвало фурор в прессе, а вот его коллеги были более осторожны. Мало кто из физиков сомневался в существовании гравитационных волн, которые напрямую "вытекают" из уравнений общей теории относительности, но ожидалось, что сигнал должен быть настолько слабым, что Вебер вряд ли смог бы его зафиксировать с помощью своего весьма скромного оборудования.

Гравитационные волны

Среди критиков были два физика: Александр Полнарев и Яков Зельдович. Чтобы доказать, что Вебер ошибается, они рассчитали, какое влияние на вибрирующие стержни Вебера могли бы оказать самые мощные из всех возможных гравитационных волн. Они предложили, что в центре нашего Млечного Пути находится гипотетический сверхплотный звездный кластер - гораздо больший, чем все существующие в реальности скопления, - который создает волны, возмущающие две частицы, удаленные друг от друга на 1000 километров. Именно такое расстояние было между брусками Вебера, которые он разместил в лабораториях по всему миру. По их расчетам, даже в таком экстремальном случае оборудование Вебера должно быть в 100 миллионов раз более чувствительным, чтобы обнаружить гравитационные волны. В этом случае их обнаружение было невозможно", - говорит Полнарев.

Однако, доказывая, что Вебер ошибается, ученые обнаружили любопытный эффект. Расчеты показали, что частицы, вибрирующие под действием гравитационных волн, не возвращаются в исходное положение. Вместо этого их положение смещается на ничтожно малую величину. Это происходит потому, что пространство-время, объединяющее три измерения пространства и время в четырехмерную ткань, постоянно растягивается в одном направлении и сжимается в другом под действием гравитационной волны.

Вселенная может оказаться "огромной и сложной голограммой", а это значит, что жизнь в 3D - иллюзия, считают астрофизики. (LIGO/Virgo)

Но только не Полу Ласки. За несколько месяцев до публикации результатов LIGO он был в числе приглашенных в отель Hilton в Пасадене, штат Калифорния, чтобы обсудить перспективы исследования. "Мы все были очень взволнованы, - говорит Ласки - австралийский астрофизик из Университета Монаша в Мельбурне. "Десятки исследователей сновали из одной аудитории в другую, обсуждая самые разные вопросы - от того, как сливаются черные дыры, до нюансов работы оптических разветвителей LIGO. А как же гравитационная память? Если честно, я не уверен, что об этом думало слишком много людей", - говорит он.

И все же Ласки нашел небольшую группу сторонников гравитационной памяти. Вместе со своими коллегами из Монаша, Эриком Трайном и Юрием Левиным, Ласки познакомился с Джонатаном Блэкманом и Янбеем Ченом из Калифорнийского технологического института. Ранее не знавшие друг друга, обе группы работали над способом обнаружения гравитационной памяти. В качестве "дымящегося пистолета" мог бы выступить крошечный, скрытый сдвиг в пульсациях сигнала гравитационной волны.

Для детекторов, подобных LIGO, заметить его в отдельных событиях было бы слишком слабо. Но, объединив несколько событий, ученые решили, что смогут его обнаружить. Но все оказалось не так просто. Чен быстро заметил кое-что, чего не заметил Ласки. И это еще больше усложнило бы обнаружение. Однако исследователи не опускали руки. "Это была поездка на американских горках", - говорит Ласки. "Мы проводили расчеты во время переговоров. Вместо того чтобы пойти на ужин, мы сидели в своих комнатах и пытались решить эту проблему".

Неделю спустя, уже в самом конце конференции, им удалось решить эту задачу. Вопреки устоявшемуся мнению, их расчеты показали, что существование гравитационной памяти можно доказать, объединив данные LIGO и детектора Virgo в Италии. Сколько именно сигналов потребуется собрать вместе, предсказать было сложно - их может быть как 500, так и 4000, - но была надежда, что начиная с 1000 они смогут увеличить этот "крошечный" эффект настолько, чтобы его заметить.

Струи плазмы коллапсаров способны замедлять вращение черных дыр почти до полной остановки

Теперь, когда LIGO, Virgo и детектор гравитационных волн Kamioka в Японии снова включились после модернизации, этот рубеж стал вполне досягаем. Новые наблюдения поступают каждую неделю, и на данный момент их число уже превысило 100. При таких темпах экспериментаторы надеются обнаружить гравитационную память в течение нескольких лет.

Это стало бы еще одним подтверждением предсказаний теории гравитации Эйнштейна. Однако, как ни парадоксально, это также может помочь продемонстрировать, что она имеет свои пределы: гравитационная память может рассказать о том, что черные дыры, предсказанные общей теорией относительности, не являются теми самыми черными дырами, которые мы себе представляем.

Такое несоответствие может проявиться в самые последние моменты слияния двух черных дыр, когда они вращаются друг вокруг друга по спирали, прежде чем окончательно слиться в одну. Образовавшаяся черная дыра начинает "звенеть" — это еще один способ сказать, что она вибрирует из-за столкновения, - прежде чем превратиться в обычную, спокойную черную дыру, излучая при этом еще некоторое количество гравитационных волн. По этим гравитационным волнам можно определить конфигурацию " рингдауна" черной дыры. И она скорее всего будет немного иной в зависимости от того, подчиняются ли черные дыры законам общей теории относительности или альтернативной теории гравитации, говорит Ласки.

В общей теории относительности черные дыры описываются двумя величинами: массой и спином. Все, что выходит за пределы этих двух параметров, называется "волосами", поэтому любые черные дыры, не подчиняющиеся общей теории относительности, будут "волосатыми", говорит Ласки. Это означает, что "волосатые" черные дыры будут звенеть иначе, чем "лысые" черные дыры. Именно поэтому ученые пытаются провести "максимально точные измерения" черных дыр. Ласки, считает, что, исследуя гравитационные волны, можно обнаружить скрытые волосы. Если вы хотите по-настоящему проверить общую относительность, вы можете проверить эту "теорему об отсутствии волос", говорит Ласки.

Проблема и причина, по которой гравитационная память может оказаться полезной, заключается в том, что часть сигнала, который она могла бы сгенерировать, по прогнозам, должна появиться одновременно с "рингдауном". Поэтому, чтобы по-настоящему понять эти гравитационные волны, мы должны сначала узнать, какую роль играет гравитационная память.

Считается, что гравитационные волны постоянно искажают пространство-время. Гравитационные волны имеют некоторые схожие со светом свойства. В вакууме они движутся с той же скоростью и имеют определенную частоту и амплитуду. Их отличие от светового излучения заключается в том, что они не рассеиваются и не поглощаются материей, как свет. Sakkmesterke / Alamy

Если исследователям удастся разделить эти два сигнала и обнаружить, что черные дыры все-таки волосатые, это будет самым четким признаком того, что на смену общей теории относительности должна прийти теория квантовой гравитации. Это позволило бы объединить гравитацию с другими силами природы, описываемыми квантовой механикой. Как может выглядеть эта квантовая гравитация, пока непонятно, поскольку эксперименты пока не принесли никаких подсказок. Но гравитационная память и тут дает надежду, а все благодаря странной причуде природы, которую Стромингер обнаружил несколько лет назад.

Квантовая гравитация

Все началось с предположения, что вместо структуры, подобной жесткому кристаллу с его тремя симметриями, пустое пространство-время обладает бесконечным набором симметрий, связанных с гравитацией. Однако вдали от гравитационного влияния они продолжают существовать, как если бы остаточный эффект гравитации сохранялся даже при отсутствии материи. Эти супертрансляционные симметрии, как известно, могут быть описаны с помощью той же математики, которая используется для описания гравитационной памяти - проще говоря, это одно и то же. По словам французского эксперта Андреа Пум из Центра теоретической физики, обнаружение гравитационной памяти стало бы "впечатляющим подтверждением" того, что супертрансляционные симметрии существуют.

Стромингер понял, что гравитационная память и супертрансляционные симметрии могут быть связаны с третьей, казалось бы, совершенно несопоставимой частью реальности: квантовыми частицами с нулевой энергией, известными как "мягкие частицы", и именно эта особенность делает эту связь особенно интригующей, когда речь идет о квантовой гравитации. Стромингер показал, что способ столкновения мягких частиц может быть описан теми же уравнениями, которые определяют взаимодействие черных дыр, порождающее гравитационную память. Обе системы этих уравнений были известны уже несколько десятилетий, но до сих пор никому не удавалось установить между ними связь.Рис. Инфракрасный треугольник: Эта математическая связь соединяет три, казалось бы, несопоставимых аспекта реальности. Гравитационная память, которая находится в одном углу, является физическим воплощением двух других углов. Эти углы, в свою очередь, описывают квантовые частицы и особый набор симметрий, связанных с гравитацией, которые проявляются даже в пустом пространстве-времени. Связь между нижними углами треугольника означает, что квантовая гравитация, какой бы она ни была, должна подчиняться супертрансляционным симметриям. 

Стромингер нашел и третий угол так называемого инфракрасного треугольника (см. рисунок выше): математическую связь, которая, по сути, говорит, что теоремы о мягких частицах эквивалентны симметриям супертрансляции и гравитационной памяти. Это очень важно, потому что каждый угол этого треугольника позволяет нам "кое-что" узнать об остальных. Симметрии интуитивно понятны, говорит Строминджер, а теоремы о мягких частицах математически точны. "С помощью гравитационной памяти, - говорит он, - мы можем увязать ее с наблюдаемой реальностью".

Существуют также электромагнитная и кварковая версии гравитационной памяти (см. "Электромагнитное эхо"), каждая из которых имеет свои собственные треугольники. В целом эффект памяти эквивалентен специальным симметриям и взаимодействиям мягких частиц. Но эти "эквивалентные" эффекты не вызывали в научных кругах такого ажиотажа, поскольку гравитационная версия треугольника указывает на свойства, которыми должна обладать жизнеспособная теория квантовой гравитации.

Если говорить в двух словах, то этот треугольник указывает на то, что любая квантовая теория гравитации должна подчиняться супертрансляционным симметриям. Найти теорию способную еще больше сузить круг поисков пока крайне сложно. "Она не объяснит нам, что такое квантовая гравитация, но сильно в этом поможет", - говорит Ласки.

Потенциально пригодный для жизни гикеан на проверку оказался "адской планетой"

Ученые считают, что инфракрасный треугольник даже может помочь доказать, что наша Вселенная — это голограмма. 25-летняя теория утверждает, что четырехмерное пространство-время, в котором мы живем, проецируется на двухмерную поверхность, управляемую квантовой теорией, без гравитации точно так же, как в голограмме картинка проецируется на поверхность.

Идея о том, что Вселенная — это голограмма, пришлась по душе многим физикам, буквально с первых дней ее выдвижения в 1993 году. Но проблема в том, что она работает только для странного вида седловидного пространства-времени, которое не похоже на нашу Вселенную. Найти двумерную квантовую теорию, которая бы отображалась на пространство-время нашей Вселенной, оказалось непросто.

В июне прошлого года Пум представил расчеты, показывающие, что если пространство-время нашей Вселенной подчиняется супертрансляционным симметриям, то и соответствующая двумерная квантовая теория должна быть такой же. "Экспериментальное подтверждение этих симметрий могло бы стать очень важным результатом", - сказал Пум на недавней конференции по гравитационной памяти в Лондонском университете королевы Марии. "Но это было бы только начало".

Что удивительно, инфракрасный треугольник привел к еще одному любопытному эффекту. Если черные дыры подчиняются симметрии супертрансляции, они испускают мягкие частицы, которые в итоге оказываются на ее поверхности. Предполагается, что физический процесс, в ходе которого это происходит, подразумевает некую ударную волну, которая слегка искривляет горизонт событий черной дыры - точку невозврата для объектов, падающих в черную дыру. Это похоже на деформацию пространства-времени, вызванную гравитационными волнами. Мы называем это эффектом "памяти черной дыры", - говорит Пум.

Однако сначала нужно понять, что такое гравитационная память и что она означает для квантовой гравитации. Для А. Г. Полнарева обнаружение гравитационной памяти станет прекрасным завершением 50-летних исследований в этой области, хотя сам он пока не знает, как на это отреагирует. Но это его не сильно тревожит. "Я уверен, что, если LIGO и Virgo удастся обнаружить [эффект] гравитационной памяти, - говорит он, - мы уж как-нибудь решу проблему с тем, как лучше это отпраздновать".Сегодня наше понимание природы разделено на две совершенно разные области: квантовую теорию, описывающую физику в мельчайших масштабах (атомы и субатомные частицы), и теорию относительности, работающую даже в масштабах Вселенной (гравитация, пространство и время). Квантовая гравитация - это теория, призванная объединить эти разрозненные области в единое описание природы, основанное на едином наборе принципов.

Электромагнитное эхо

В начале 2010-х годов профессор факультета физики Оклендского университета в Мичигане Дэвид Гарфинкл уже некоторое время интересовался теорией гравитационной памяти - постоянного отпечатка, который гравитационные волны оставляют в пространстве-времени. Затем общий друг познакомил его с Лидией Биери, которая работала неподалеку в Мичиганском университете.

Объединив усилия, эксперты поняли, что уравнения, над которыми они работали, напоминают уравнения электромагнетизма Джеймса Клерка Максвелла.  Это заставило Гарфинкла задаться вопросом: а может ли существовать электромагнитный эквивалент гравитационной памяти?

Оказалось, что да. Гарфинкл и Биери обнаружили, что, подобно тому, как гравитационные волны оставляют следы в пространстве-времени, электромагнитные волны, предположительно, тоже оставляют после себя "отпечаток" на заряженных частицах, придавая им ускорение. "Это очень похоже на гравитационную память", - говорит Гарфинкл. Хотя экспериментально эффект электромагнитной памяти еще не доказан, у Гарфинкля и Биери есть идеи, как это можно сделать - например, посылая короткие импульсы сквозь длинные антенны.

Электромагнитная память - не единственный из возможных "аналогов" гравитационной памяти. Есть эквивалент и в квантовой хромодинамике - теории сильных ядерных сил, управляющих кварками, из которых состоят протоны и нейтроны. Согласно этой теории, при прохождении импульса излучения мимо пары кварк-антикварк он должен оставить след в свойстве кварков, известном как их цветовой заряд.

В данных Большого адронного коллайдера за последние несколько лет уже появились намеки на эту цветовую память, но для того, чтобы "увидеть ее воочию", необходимо дождаться включения более мощных машин, таких, например, как электронно-ионный коллайдер (EIC).