Как звучит черная дыра? Новый метод поиска квантовой гравитации
Из четырех фундаментальных сил физики гравитация — та, с которой мы наиболее знакомы в повседневной жизни, но она также единственная, которую в настоящее время не удается объяснить квантовой физикой. Недавно ученые наметили план поиска признаков квантовой гравитации в космосе, прислушиваясь к «звону» столкновения черных дыр.
Три из четырех фундаментальных сил — электромагнетизм и слабые и сильные ядерные силы — могут быть описаны как поля и переносятся конкретными частицами. Например, электромагнетизм переносится фотонами и создает электрические и магнитные поля.
Гравитация, однако, не может быть объяснена таким образом. На данный момент лучшая модель, которую мы имеем, — это общая теория относительности Эйнштейна, но в определенных ситуациях — таких как окрестности черных дыр — эта теория разрушается, что указывает на ее неполноту. В течение десятилетий ученые искали теорию квантовой гравитации, которая объясняла бы силу в терминах квантовой механики, переносимой гипотетической частицей, называемой гравитоном, но до сих пор доказательства существования гравитона не существует.
Квантовая гравитация — попытка объединить две самые успешные теории физики: общую теорию относительности и квантовую механику. Общая теория относительности описывает гравитацию как искривление пространства-времени, вызванное наличием материи и энергии. Квантовая механика описывает поведение микроскопических частиц, таких как электроны и фотоны, которые подчиняются вероятностным законам и имеют свойства волн и частиц одновременно.
Однако эти две теории не совместимы между собой, поскольку они основаны на разных принципах и математических языках. Когда мы пытаемся применить общую теорию относительности к очень маленьким объектам или очень высоким энергиям, мы получаем бессмысленные результаты, такие как бесконечности или парадоксы. Когда мы пытаемся применить квантовую механику к очень большим объектам или очень низким энергиям, мы получаем неверные предсказания, такие как отрицание гравитации или нарушение причинности.
Поэтому физики ищут новую теорию, которая бы объясняла гравитацию на всех уровнях и была бы согласована с экспериментальными данными. Такая теория называется квантовой гравитацией. Она должна учитывать квантовые флуктуации пространства-времени, которые происходят на очень малых расстояниях, известных как планковский масштаб. Она также должна объяснять экстремальные явления, такие как черные дыры или Большой взрыв.
Однако построение такой теории является очень сложной задачей, которая требует новых математических инструментов и физических концепций. Существует много разных подходов к квантовой гравитации, но ни один из них не является полностью убедительным или проверенным.
Но недавно пара новых исследований кажется пролили свет на то, как астрофизики могут искать подсказки в ближайшие годы. Гравитационные волны — рябь в самой ткани пространства-времени, вызванная катастрофическими событиями, такими как столкновения между черными дырами и/или нейтронными звездами, которые обнаруживаются обсерваториями, такими как LIGO. Команда показала, что «звучание» этих столкновений может намекать на физику, которая не соответствует современным моделям.
— Янбэй Чен, соавтор обоих исследований.
Первое исследование представляет новое уравнение, которое описывает, как черные дыры будут звучать в различных квантовых теориях гравитации. Оно основано на уравнении, впервые разработанном физиком-теоретиком Саулом Теукольским в 1970-х годах. Во второй работе команда описывает, как новое уравнение может применяться к данным, отфильтровывая фоновый шум.
В совокупности эти две работы могут помочь ученым привести общую теорию относительности в еще более строгие рамки и найти признаки квантовой гравитации. Они также подчеркивают важность исследования черных дыр и столкновений между ними в понимании физики гравитации и природы пространства-времени.
Три из четырех фундаментальных сил — электромагнетизм и слабые и сильные ядерные силы — могут быть описаны как поля и переносятся конкретными частицами. Например, электромагнетизм переносится фотонами и создает электрические и магнитные поля.
Гравитация, однако, не может быть объяснена таким образом. На данный момент лучшая модель, которую мы имеем, — это общая теория относительности Эйнштейна, но в определенных ситуациях — таких как окрестности черных дыр — эта теория разрушается, что указывает на ее неполноту. В течение десятилетий ученые искали теорию квантовой гравитации, которая объясняла бы силу в терминах квантовой механики, переносимой гипотетической частицей, называемой гравитоном, но до сих пор доказательства существования гравитона не существует.
Квантовая гравитация — попытка объединить две самые успешные теории физики: общую теорию относительности и квантовую механику. Общая теория относительности описывает гравитацию как искривление пространства-времени, вызванное наличием материи и энергии. Квантовая механика описывает поведение микроскопических частиц, таких как электроны и фотоны, которые подчиняются вероятностным законам и имеют свойства волн и частиц одновременно.
Однако эти две теории не совместимы между собой, поскольку они основаны на разных принципах и математических языках. Когда мы пытаемся применить общую теорию относительности к очень маленьким объектам или очень высоким энергиям, мы получаем бессмысленные результаты, такие как бесконечности или парадоксы. Когда мы пытаемся применить квантовую механику к очень большим объектам или очень низким энергиям, мы получаем неверные предсказания, такие как отрицание гравитации или нарушение причинности.
Поэтому физики ищут новую теорию, которая бы объясняла гравитацию на всех уровнях и была бы согласована с экспериментальными данными. Такая теория называется квантовой гравитацией. Она должна учитывать квантовые флуктуации пространства-времени, которые происходят на очень малых расстояниях, известных как планковский масштаб. Она также должна объяснять экстремальные явления, такие как черные дыры или Большой взрыв.
Однако построение такой теории является очень сложной задачей, которая требует новых математических инструментов и физических концепций. Существует много разных подходов к квантовой гравитации, но ни один из них не является полностью убедительным или проверенным.
Но недавно пара новых исследований кажется пролили свет на то, как астрофизики могут искать подсказки в ближайшие годы. Гравитационные волны — рябь в самой ткани пространства-времени, вызванная катастрофическими событиями, такими как столкновения между черными дырами и/или нейтронными звездами, которые обнаруживаются обсерваториями, такими как LIGO. Команда показала, что «звучание» этих столкновений может намекать на физику, которая не соответствует современным моделям.
Когда две черные дыры сливаются, чтобы произвести большую черную дыру результат звучит как колокол. Параметры этого звучания или его тембра могут отличаться от того, как предсказывает общая теория относительности, если определенные теории квантовой гравитации верны. Наши методы предназначены для поиска различий в качестве этой фазы звучания, таких как гармоники и обертоны
— Янбэй Чен, соавтор обоих исследований.
Первое исследование представляет новое уравнение, которое описывает, как черные дыры будут звучать в различных квантовых теориях гравитации. Оно основано на уравнении, впервые разработанном физиком-теоретиком Саулом Теукольским в 1970-х годах. Во второй работе команда описывает, как новое уравнение может применяться к данным, отфильтровывая фоновый шум.
В совокупности эти две работы могут помочь ученым привести общую теорию относительности в еще более строгие рамки и найти признаки квантовой гравитации. Они также подчеркивают важность исследования черных дыр и столкновений между ними в понимании физики гравитации и природы пространства-времени.
Наши новостные каналы
Подписывайтесь и будьте в курсе свежих новостей и важнейших событиях дня.
Рекомендуем для вас
Что-то странное живет в старом топливе, вытекшем из затонувших кораблей во Вторую мировую войну
По словам ученых, в нефтепродуктах на дне моря «не протолкнуться»: 42 типа, 107 классов, 249 отрядов, 432 семейства, 1 047 родов микроорганизмов...
«Космос-2612» против спутника-шпиона: Россия показала, что не будет мириться с американской разведкой на орбите
Почему западные эксперты считают, что противостояние на орбите выходит на более новую и крайне опасную стадию...
В 2025 году в Беринговом море неожиданно появилось огромное количество крабов
Теперь ученые наконец-то нашли разгадку природной аномалии...
Летние каникулы длиной… в два с половиной года: как 777 российских детей вернулись домой через Сибирь, Америку и Европу
По этой удивительной истории запросто можно снять отличный сериал. Даже несколько сезонов...
Каспийское море снова изменилось: какие острова нанесут на новые карты
Почему географы очень строги к таким объектам и какие требования предъявляют к ним...
Маск только что показал летающий автомобиль: история говорит, что это может не сработать
Почему эксперты Popular Mechanics не верят в успех нового проекта владельца SpaceX и Tesla...
Вот почему самый загадочный в мире 600-летний текст до сих пор не расшифрован
Рукопись Войнича могли переплести не по порядку, и этот факт дает ответы на многие вопросы...
Ковчег русских детей: как 777 российских детей вернулись домой через Сибирь, Америку и Европу (продолжение)
Никто и не ожидал, что летние каникулы вдруг затянутся на два с половиной года...
Похоже, между кошками и их хозяевами существует загадочная гормональная связь
Этот эксперимент напрашивался уже давно, но после вопросов стало еще больше...
Парадокс Ванильного острова: почему на Мадагаскаре все рано или поздно заканчивается революцией
Что такое «красные зоны»? Как с ними связаны горбатые быки? И, вообще, какую роль в этой истории сыграла японское аниме?...
Муравьи Дракулы охотятся с первого дня жизни: их мозг может объяснить такую «кровожадность»
По словам ученых, когда-то такими были все муравьи, но что-то заставило их поменять свое поведение...
1319 подтвержденных случаев реинкарнации: исследование американских ученых выявило поразительные закономерности
Исследователи не знают, как объяснить механизм перерождения, но игнорировать статистику тоже не могут...