Главную идею Эйнштейна хотят проверить еще раз: как это изменит физику

Согласно общей теории относительности Альберта Эйнштейна, ткань пространства и времени, или пространство-время, искривляется в ответ на массу. Солнце, например, искажает пространство вокруг нас так, что планета Земля катится вокруг звезды, как шарик, брошенный в воронку (при этом, планета не падает на Солнце из-за бокового импульса).

Как улучшить революционную теорию

Теория, которая стала революционной в 1915 году, изменила понятие гравитации. Однако ученые уверены — эту идею можно «улучшить» и пытаются доказать теорию квантовой гравитации в попытке объединить общую теорию относительности с квантовой физикой. Если это удастся, то мы узнаем, как работает наша Вселенная работает на самых глубоких уровнях.

Где искать квантовую гравитацию

Физики предлагают искать сигнатуры квантовой гравитации в экстремальных условиях — при столкновениях черных дыр, где гравитация достигает своего пика. Черные дыры — самые плотные объекты во Вселенной. Поэтому их гравитация настолько сильна, даже свет не может их покинуть, а все объекты претерпевают спагеттификацию. Также, когда две черные дыры сталкиваются и сливаются в одно большее тело, они завихряют пространство-время вокруг себя, создавая рябь — гравитационные волны, во всех направлениях.

Обсерватория LIGO с 2015 года регулярно фиксирует гравитационные волны, генерируемые слияниями черных дыр. Обсерватории-партнеры Virgo и KAGRA присоединились к «охоте» на них в 2017 и 2020 годах соответственно. Однако ученые доказывали общую теорию относительности и «обычную» гравитацию снова и снова.

Новая проверка идеи

Но теперь две команды ученых опубликовали два исследования в статьях Physical Review X и Physical Review Letters. В них они описали новые методы проверки общей теории относительности более более строгими тестами. Зачем это нужно? Более внимательно изучая структуру черных дыр и создаваемую ими рябь в пространстве-времени, ученые ищут признаки небольших отклонений от общей теории относительности, которые намекают на наличие квантовой гравитации. Если ее найдут, это изменит физику.

«Когда две черные дыры сливаются, образуя большую черную дыру, она звенит как колокол. В случае, если верны некоторые теории квантовой гравитации, качество этого “звона” или его тембр может отличаться от предсказаний ОТО. Мы придумали методы поиска различий в качестве этой фазы звона, таких как гармоники и обертоны», — объясняет Янбей Чен, профессор физики Калифорнийского технологического института и соавтор обоих исследований.

Первая статья

В первой статье, ученые рассказали о новом едином уравнении. Оно описывает, как черные дыры будут «звенеть» в рамках определенных теорий квантовой гравитации. Ученые называют их «режимом за пределами общей теории относительности».

Работа основана на новаторском уравнении, разработанном 50 лет назад Солом Теукольским, профессором теоретической астрофизики Калифорнийского технологического института. Теукольский разработал его, чтобы лучше понять, как рябь пространства-времени распространяется вокруг черных дыр.

Вообще, методы численной теории относительности  предполагают одновременное решение дифференциальных уравнений на суперкомпьютерах. Но уравнение Теукольского намного проще в использовании и, как объясняют авторы исследования, «обеспечивают непосредственно физическое понимание проблемы».

«Если кто-то хочет решить все уравнения Эйнштейна для слияния черных дыр, ему придется использовать суперкомпьютеры. Численные методы относительности невероятно важны для точного моделирования слияний черных дыр, и они обеспечивают важнейшую основу для интерпретации данных LIGO. Но физикам очень сложно делать интуитивные выводы непосредственно из численных результатов. Уравнение Теукольского дает нам интуитивное представление о том, что происходит в фазе кольца», — пишут ученые.

Ли впервые смог взять уравнение Тейкольского и адаптировать его для черных дыр в режиме за пределами ОТО. «Новое уравнение позволяет моделировать и понимать гравитационные волны, распространяющиеся вокруг черных дыр. Похоже, они являются более экзотическими объектами, чем предсказывал Эйнштейн», — говорит он.

Вторая статья

Во второй статье, опубликованной в журнале Physical Review Letters под руководством аспиранта Калифорнийского технологического института Сичжэна Ма, описан новый способ применения уравнения Ли к фактическим данным, полученными LIGO. В этом подходе для анализа данных применяются фильтры. Цель — удалить характеристики «звона» черной дыры, предсказанных ОТО. Это потенциальная возможность изучить аспекты физики, которые выходят за рамки общей теории относительности.

«Мы можем искать особенности, описываемые уравнением Донгджуна, в данных, которые будут собирать LIGO, Virgo и KAGRA. Он нашел способ преобразовать большой набор сложных уравнений в одно уравнение, и это чрезвычайно полезно. Это уравнение более эффективно и проще в использовании, чем методы, которые мы использовали раньше», — объясняют авторы второго исследования.

Что в итоге?

По словам Ли, эти два исследования хорошо дополняют друг друга. «Сначала я беспокоился, что сигнатуры, которые предсказывает мое уравнение, будут скрыты под многочисленными обертонами. Однако специальные “фильтры” позволили нам легко сосредоточиться на различиях», — говорит он.

Читать далее:

Имплантация не нужна: появился способ отращивать зубы заново

Астрономы нашли доказательства «необычной» эволюции небольших звезд

«Облако-каннибал» из солнечной плазмы ударит сегодня по Земле

^{Обложка: wallpaperflare.com, Сведения о лицензии}