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.