Помни ли пространство-времето? Изследване на гравитационната памет

Откриването на трайните отпечатъци, оставени от сблъскващите се черни дупки, би разкрило една вселена, наситена с безкрайни симетрии, и би стеснило възможностите за теория на квантовата гравитация

Ваня Милева Последна промяна на 11 август 2023 в 00:01 12825 0

Общата теория на относителността на Алберт Айнщайн, според която гравитацията е резултат от изкривяването на пространство-времето от масата, предвижда, че гравитационните вълни трябва все така неусетно да променят структурата на пространство-времето след

Кредит M. Isi/Massachusetts Institute of Technology

Общата теория на относителността на Алберт Айнщайн, според която гравитацията е резултат от изкривяването на пространство-времето от масата, предвижда, че гравитационните вълни трябва все така неусетно да променят структурата на пространство-времето след себе си. С други думи, Вселената помни.

Когато черни дупки се сблъскват в далечните краища на Вселената, те освобождават енергия под формата на гравитационни вълни. Можете да си представите как те преминават през пространство-времето подобно на вълните, които хвърлено камъче създава по повърхността на езеро.

"В езерото, след като пулсациите преминат, водата се връща на старото си ниво", обяснява Дейвид Гарфинкъл (David Garfinkle), космолог от Оукландския университет в Мичиган. Може да си представите, че след като гравитационната вълна премине, тъканта на Вселената също се връща към нормалното си състояние. "Но това не се случва - отбелязва Гарфинкъл.

Всъщност Общата теория на относителността на Алберт Айнщайн, според която гравитацията е резултат от изкривяването на пространство-времето от масата, предвижда, че гравитационните вълни трябва все така неусетно да променят структурата на пространство-времето след себе си. С други думи, Вселената помни.

Този ефект на "гравитационна памет" е толкова слаб, че може да се смята и за хомеопатичен. Но през последните години няколко оптимистично настроени астрофизици се заемат с предизвикателството да се опитат да докажат съществуването му.

"Те се застраховат кога", разказва Андрю Стромингер (Andrew Strominger), физик-теоретик от Харвардския университет, "но никой не казва, че не можем да го измерим". И сега, когато се появяват все повече гравитационни вълни, може би сме на прага на пробив.

Последиците от подобно откритие биха били мащабни. Гравитационната памет би била доказателство за скрита форма на симетрия, за която се смята, че насища цялата Вселена. Това от своя страна би предоставило жизненоважни и потенциално решаващи сведения за квантовата теория на гравитацията - и от какво в крайна сметка е изградено пространство-времето.

Корените на тази идея са от края на 60-те години на миналия век, когато физикът Джоузеф Вебер (Joseph Weber) смята, че е направил поразително откритие. Използвайки само вибриращи алуминиеви пръчки, той улавя сигнал, който според него е първото откриване на гравитационни вълни. Съобщението на Вебер предизвиква медийна сензация, но колегите му били по-предпазливи. Малцина физици са се съмнявали в съществуването на гравитационни вълни, които произтичат директно от уравненията на Общата теория на относителността, но се е очаквало сигналът да е толкова слаб, че е малко вероятно Вебер да го е видял със скромното си оборудване.

Гравитационни вълни

Сред критиците били двама физици на име Александър Полнарев и Яков Зелдович. За да се опитат да докажат, че Вебер греши, те изчислили как най-големите възможни гравитационни вълни биха повлияли на вибриращите пръти на Вебер. Те си представили свръхплътен звезден куп в центъра на нашия Млечен път - много по-голям от всички реално съществуващи там - който създава вълни, смущаващи две частици, разделени на 1000 км. Това е същото като разстоянието между пръчките на Вебер, които той е поставил в лаборатории по целия свят. Дори в такъв екстремен случай, изчисляват те, оборудването на Вебер трябва да е 100 милиона пъти по-чувствително, за да открие гравитационните вълни.

"Откриването е невъзможно", подчертава Полнарев.

При доказването на грешката на Вебер обаче двамата физици се натъкват на любопитен ефект. Изчисленията разкриват, че частиците, вибрирани от гравитационни вълни, не се връщат на първоначалното си място. Вместо това позициите им се изместват с малка разлика. Това се случва, защото пространство-времето, което съчетава трите измерения на пространството с едно на времето в четириизмерна тъкан, е постоянно разтеглено в една посока и притиснато в друга от гравитационната вълна.

Полнарев е знаел, че тази идея за траен отпечатък в пространство-времето, оставен от преминаваща гравитационна вълна, може да се окаже полезна. Но по онова време идеята, че можем да открием такива вълни, е била неосъществима, да не говорим за това далеч по-слабо изкривяване на пространство-времето.

През следващите няколко десетилетия повечето физици не са се замисляли за гравитационната памет. Дори през 2016 г., когато международното сътрудничество зад Лазерната интерферометрична гравитационно-вълнова обсерватория (LIGO) в САЩ обяви откриването на гравитационни вълни, идеята, че някой ден може да видим гравитационна памет, за повечето учени е изглеждала непостижима.

Но не и за Пол Ласки (Paul Lasky). В месеците преди съобщението на LIGO той е сред избраната група, поканена в хотел "Хилтън" в Пасадена, Калифорния, за да обсъди последиците от откритието. "Всички бяхме много развълнувани", разказва Ласки, астрофизик от Университета Монаш в Мелбърн, Австралия. Десетки изследователи кръстосвали залите за семинари, обсъждайки всичко - от това как се сливат черните дупки до нюансите на разделителите на лъча на LIGO. Но гравитационната памет? "Честно казано, не мисля, че това бе в съзнанието на много хора", добавя той.

Въпреки това Ласки открива малка група почитатели на гравитационната памет. Заедно с колегите си от Монаш, Ерик Трън (Eric Thrane) и Юрий Левин (Yuri Levin), Ласки разговаря с Джонатан Блекман (Jonathan Blackman) и Янбей Чен (Yanbei Chen) от Калифорнийския технологичен институт.

Непознати една на друга, двете групи са работили върху откриването на гравитационна памет. Сигналът би бил малка, скрита промяна в пулсациите на сигнала на гравитационните вълни. Той би бил твърде слаб, за да могат детектори като LIGO да видят отделни събития. Но те твърдят, че чрез комбиниране на множество събития би трябвало да могат да го открият.

Това не е било лесно. И Чен веднага забеляза нещо, което Ласки е пропуснал и което би направило откриването още по-трудно. Но изследователите продължават да настояват. "Беше като влакче в увеселителен парк", разказва Ласки. "Правехме изчисления по време на разговори. Вместо да излезем на вечеря, седяхме в стаите си и се опитвахме да решим този проблем."

Седмица по-късно, в края на срещата, те се справят със задачата. Противно на преобладаващото мнение, изчисленията им показват, че е възможно да се открие гравитационна памет чрез комбиниране на данните от LIGO и детектора Virgo в Италия. Трудно е да се предвиди колко точно сигнала ще трябва да съберат - може да са само 500 или 4000 - но надеждата е, че с около 1000 ще успеят да увеличат този незначителен ефект достатъчно, за да го видят.

Сега, след като LIGO, Virgo и детекторът на гравитационни вълни Kamioka в Япония се включиха отново след модернизация, крайъгълният камък е на една ръка разстояние. Всяка седмица постъпват нови наблюдения, с които общият брой на наблюденията вече надхвърля 100. С тези темпове експериментаторите се надяват, че ще открият гравитационна памет до няколко години.

Това би било още едно потвърждение на предсказанията на Айнщайновата теория на гравитацията. Парадоксално е обаче, че това може да помогне да се докаже, че тя има своите граници: гравитационната памет може да покаже как черните дупки, предсказани от Общата теория на относителността, не са черните дупки, които виждаме.

Такова несъответствие може да се разкрие в последните моменти на сливането на две черни дупки, когато те се въртят една около друга в спирала, преди накрая да се превърнат в една. Получената черна дупка започва да "звъни" - друг начин да се каже, че се клати заради сблъсъка - преди да се успокои и да стане нормална, добропорядъчна черна дупка, излъчвайки още няколко гравитационни вълни в процеса. По тези гравитационни вълни можем да се определи формата на "затихване" на черната дупка. А тя ще бъде малко по-различна в зависимост от това дали черните дупки се подчиняват на законите на Общата теория на относителността или на алтернативна теория на гравитацията, посочва Ласки.

Типичен сигнал на гравитационна вълна, произведен от двойка сливащи се черни дупки. Веднага след сливането, вече единствената черна дупка ще "звъни". Този звън се заглушава в следващия етап, наречен "затихване" (ringdown), на излъчването на гравитационни вълни. Фазата на "затихване" започва, когато черните дупки се доближат една до друга в рамките на фотонната сфера. В тази област по-голямата част от излъчените гравитационни вълни отиват към хоризонта на събитията, а амплитудата на излизащите намалява. Дистанционно откритите гравитационни вълни имат трептене с бързо намаляваща амплитуда, тъй като ехото от събитието на сливането е резултат от все по-тесни и по-тесни спирали около получената черна дупка. Кредит: Kip Thorne; (Bottom) B. P. Abbott et al.; adapted by APS/Carin Cain

В Общата теория на относителността черните дупки се описват с две числа: тяхната маса и техния спин. Всичко, което е извън тези два параметъра, се нарича "коса", така че всички черни дупки, които не се подчиняват на Общата теория на относителността, ще бъдат космати, обяснява Ласки. Това означава, че косматите черни дупки биха звънели по различен начин от плешивите черни дупки. Ето защо Ласки се опитва да направи "наистина прецизни измервания" на черните дупки, които може да се изследват чрез гравитационни вълни, за да види дали имат скрити косми. Ако трябва наистина да се провери Общата теория на относителността, може да се провери тази "теорема за липсата на косми", заявява Ласки.

Проблемът и причината, поради която гравитационната памет би могла да бъде полезна, е, че се предвижда част от сигнала, който тя би произвела, да се появи по същото време, по което се появява звънът. Следователно, за да се разберат наистина тези рингдаун гравитационни вълни, първо трябва да знаем какъв е приносът на гравитационната памет.

Ако изследователите успеят да разграничат двата сигнала и открият, че черните дупки все пак са космати, това ще бъде най-ясният знак досега, че Общата теория на относителността трябва да бъде заменена с теория на квантовата гравитация. Това би обединило гравитацията с другите природни сили, които се описват от квантовата механика. Как би могла да изглежда тази квантова гравитация далеч не е ясно, а експериментите все още не са дали много сведения. Но гравитационната памет дава надежда и на този фронт, благодарение на един странен каприз на природата, който Стромингер открива преди няколко години.

Квантовата гравитация

Това започва с идеята, че вместо да има структура като твърд кристал с неговите три симетрии, празното пространство-време има безкрайна колекция от симетрии, свързани с гравитацията. Те обаче се запазват далеч от гравитационното влияние, сякаш има остатъчен ефект от гравитацията дори когато наоколо няма материя. Тези супертранслационни симетрии*, както са известни, могат да бъдат описани със същата математика, с която се описва гравитационната памет - с други думи, те са едно и също. Така че наблюдението на гравитационната памет би било "впечатляващо потвърждение", че съществуват супертранслационни симетрии, заявява Андреа Пюм (Andrea Puhm) от Центъра по теоретична физика във Франция.

*Супертранслациите са просто зависещи от посоката времеви транслации на границата на асимптотично плоски времена-пространства. 

Това, което Стромингер осъзнава и което прави тази връзка особено интригуваща, когато става въпрос за квантовата гравитация, е, че гравитационната памет и супертранслационните симетрии могат да бъдат свързани с трета, на пръв поглед несъвместима част от реалността: квантовите частици с нулева енергия, известни като меки частици.

Стромингер показа, че начинът, по който се сблъскват меките частици, може да бъде описан със същите уравнения, които управляват сблъскващите се черни дупки, които създават гравитационна памет. И двата набора уравнения са известни от десетилетия, но никой не е направил връзката.

Стромингер е открил третия ъгъл на така наречения инфрачервен триъгълник (вж. по-горе): математическа връзка, която по същество казва, че теоремите за меките частици са еквивалентни на супертранслационните симетрии и на гравитационната памет. Това е много важно, защото всеки ъгъл на триъгълника внася нещо, което ни помага да разберем нещо за останалите. Симетриите са интуитивни, обяснява Стромингер, докато теоремите за меките частици са математически точни.

"Гравитационната памет", добавя Стромингер, "се свързва с наблюдаемата реалност."

Съществуват и електромагнитни и кваркови версии на гравитационната памет (вж. "Електромагнитно ехо" по-долу), всяка от които има свои собствени триъгълници. Навсякъде ефектът на паметта е еквивалентен на специалните симетрии и на взаимодействията на меките частици. Но тези еквивалентни ефекти не предизвикват толкова вълнение, защото гравитационната версия на триъгълника ни казва какви свойства трябва да има една жизнеспособна теория на квантовата гравитация.

Електромагнитно ехо

От известно време, в началото на 2010 г., Дейвид Гарфинкъл от Оукландския университет в Мичиган се интересува от гравитационната памет - постоянния отпечатък, който гравитационните вълни оставят върху пространство-времето. След това общ приятел го запознава с Лидия Биери, която работи съвсем близо до него в Мичиганския университет. Заедно те осъзнават, че уравненията, върху които работят, приличат на уравненията на Джеймс Клерк Максуел за електромагнетизма. Това кара Гарфинкъл да се замисли: има ли електромагнитен еквивалент на гравитационната памет?

Оказва се, че има. Гарфинкъл и Биери откриват, че както гравитационните вълни оставят следа върху пространство-времето, така и електромагнитните вълни се очаква да оставят следа върху заредените частици, като дават тласък на скоростта им. "Това много прилича на гравитационна памет", обяснява Гарфинкъл. Този ефект на електромагнитната памет не е доказан експериментално, но Гарфинкъл и Биери имат предложение как това може да стане чрез изпращане на кратки импулси през дълги антени.

Електромагнитната памет също не е единственият аналог на гравитационната памет. Еквивалент има и в квантовата хромодинамика, която е теорията за силната ядрена сила, управляваща кварките, от които се състоят протоните и неутроните. В този случай, когато импулс на излъчване премине през двойка кварк-антикварк, той трябва да остави следа върху свойство на кварките, известно като цветен заряд. В Големия адронен колайдер е имало намеци за тази цветна памет, но трябва да изчакаме да се включат по-големи машини като Електрон-йонния колайдер, за да може да се види ясно.

Накратко, този триъгълник подсказва, че всяка квантова теория на гравитацията трябва да се подчинява на супертранслационни симетрии. Трудно е да се намери теория, която да го прави, което би трябвало да помогне на теоретиците да стеснят търсенето си.

"Това не ни казва какво е квантовата гравитация, но ще ни помогне", посочва Ласки.

Инфрачервеният триъгълник може дори да помогне да се докаже, че нашата Вселена е холограма. Едно 25-годишно предположение твърди, че 4D пространство-времето, което изпитваме, се проектира от 2D повърхност, управлявана от квантовата теория, без гравитация, по същия начин, по който холограмата се проектира от повърхност. Идеята, че Вселената е холограма, е любима на физиците още от самото ѝ предлагане, но проблемът е, че тя работи само за странен вид седловидно пространство-време, което не прилича на нашата Вселена. Намирането на двуизмерна квантова теория, която да съответства на пространство-времето на нашата Вселена, се оказва трудна задача.

През юни Пюм представя изчисления, които показват, че ако пространство-времето на нашата Вселена спазва супертранслационните симетрии, то съответната 2D квантова теория също трябва да спазва тези симетрии.

"Експерименталното потвърждение на тези симетрии би било много важен резултат", заявява Пюм на неотдавнашната конференция за гравитационната памет в Университета "Куин Мери" в Лондон. "Но това е само началото."

Сякаш всичко това не е достатъчно, инфрачервеният триъгълник е довел до друг изненадващ ефект. Когато черните дупки се подчиняват на супертранслационните симетрии, те излъчват меки частици, които се оказват на повърхността на черната дупка. Смята се, че физическият процес, при който се случва това, включва някакъв вид ударна вълна, която фино изкривява хоризонта на събитията на черната дупка - точката, от която няма връщане назад за обектите, падащи в черна дупка. Това е подобно на деформацията на пространство-времето, причинена от гравитационните вълни. "Наричаме това "ефект на паметта на черната дупка", отбелязва Пюм.

На първо място обаче фокусът е върху разбирането на гравитационната памет и какво означава тя за квантовата гравитация. За Полнарев откриването на гравитационната памет ще бъде подходящ завършек на 50-годишните изследвания в тази област, въпреки че все още не е сигурен как би реагирал. Това не го притеснява.

"Сигурен съм, че ако LIGO и Virgo успеят да открият [ефекта на] гравитационната памет", споделя Полнарев, "ще успея да реша проблема с най-добрия начин за празнуване."

Източник: Does space-time remember? The search for gravitational memory, New Scientist

Най-важното
Всички новини
За писането на коментар е необходима регистрация.
Моля, регистрирайте се от TУК!
Ако вече имате регистрация, натиснете ТУК!

Няма коментари към тази новина !