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).
Древовидный вид