Терскол, Экскурсия по телескопу Цейсс-600

Как мы наблюдали полное солнечное затмение 20 марта 2015 года

Можно ли с помощью LIGO проверить теорию квантовой гравитации?

Сабина Хоссенфельдер,

физик-теоретик, 

специализируется на квантовой гравитации и физике высоких энергий.

Starts with a Bang!

статья "Can LIGO test quantum gravity" в Forbes

Image Credit: SXS, the Simulating eXtreme Spacetimes (SXS) project (http://www.black-holes.org).

Не похоже, но и не исключено.

Общая Теория Относительности Эйнштейна предсказывает, что ускоряющиеся массы излучают гравитационные волны. На прошлой неделе было объявлено об открытии гравитационных волн экспериментом LIGO. Но это только начало - мы ждем еще много открытий, которые смогут подвергнуть теорию Эйнштейна проверкам со все увеличивающейся точностью. Что это может означать для физиков, которые занимаются поисками теории квантовой гравитации - все еще отсутствующего звена между общей  теорией относительности и квантовой механикой?

Image Credit: T. Pyle/Caltech/MIT/LIGO Lab.

Общая Теория Относительности - неквантовая теория, гравитационные волны были предсказаны независимо от попыток создать последовательную, квантовую теорию гравитации. Поэтому существование гравитационных волн можно объяснить и без квантовой гравитации. Однако, в общем случае, ожидается, что квантовая гравитация порождает "гравитоны", которые представляют собой квантованные гравитационные волны. Гравитон - частица, которая относится к гравитационным волнам так же, как фотон - к электромагнитным, это крошечная часть энергии, пропорциональной частоте волны. Свойства самих волн в контексте общей теории относительности дают нам все, что нужно для квантовой версии частицы гравитона: у нее нет массы, ее спин равен 2 (для сравнения: у фотона спин равен 1, у электрона 1/2, а у бозона Хиггса 0), и перемещается эта частица со скоростью света.

Гравитационная волна состоит из огромного количества гравитонов, но измерения их отдельных свойств крайне затруднительны и лежат далеко за пределами наших экспериментов. LIGO не может разрешить волны на гравитоны по той же причине, по которой антенна не может разделить электромагнитную волну на отдельные фотоны - ее детектор просто засыпается частицами, и не способен отделить крошечные порции энергии друг от друга. Если гравитоны существуют, LIGO может их обнаружить, но он не может выделить гравитоны из неквантованной гравитационной волны.

И хотя это и может нам что-то сказать про квантовую гравитацию, нельзя быть уверенными на 100% - поскольку самой теории квантовой гравитации еще не существует. И ответ на этот вопрос пока еще зависит больше от того, верите ли вы в эту теорию или нет.

В чем согласны почти все - влияние квантовой гравитации становится особо сильным  в областях с исключительно сильным искривлением пространства-времени. Но в сообществе квантовой гравитации "исключительно сильное искривление" значит искривление к центру черной дыры, а не на ее горизонте событий - там искривление считается сравнительно слабым. 

Слияние черных дыр - наподобие того, которое видел эксперимент LIGO - не может сказать, что же творится внутри черной дыры, и поэтому не пригоден для проверки эффектов сильных квантовых гравитационных полей.

Image Credit: Caltech/MIT/LIGO Lab, of the first gravitational wave signal as seen by both LIGO detectors.

Теоретики много спорят о том, что проявления квантовой гравитации могут быть и не такими уж маленькими вблизи горизонта событий. Такие идеи, как "шерсть", "брандмауэр" или "волосы черной дыры" влияют на горизонт черной дыры. В таких сценариях флуктуации квантовой гравитации могут оставлять следы в эмиссионных спектрах, что можно попробовать разглядеть при помощи LIGO или других экспериментов гравитационных волн.

В своей короткой заметке, опубликованной на arXiv на прошлой неделе, Стив Гиддингз (Steve Giddings) из Университета Калифорнии в Санта-Барбаре предлагает некоторые размышления на эту тему. Он спорит с тем, что отклонения у горизонта событий от общей геометрии черных дыр должны вести к сигналам гравитационных волн меньшей регулярности, но большей энергии, чем предсказывает общая теория относительности. Я уверена, что вместе с потоком новых данных последуют более точные предсказания.

Более того, любые отклонения от обшей теории относительности может дать нам намеки на то, как можно квантовать гравитацию. А поскольку гравитационные волны приходят из тех областей, которые раньше были для нас недоступны, это ведет к открытию совершенно новых фактов, что приводит к новым знаниям.

Динамика слияния черных дыр и того, как перемещаются гравитационные волны очень зависит даже от небольших отклонений в общей теории относительности (ОТО) - например, таких, как нарушения принципа эквивалентности, или вероятность того, что гравитация не совсем нулевой массы. Двумерная гравитация, модификация ОТО более высокого порядка, дополнительные взаимодействия в крупных масштабах или гравитационный эфир - все эти модели теперь нуждаются в дополнительных проверках. Несомненно, среди них будут определены победители (среди которых, скорее всего, окажутся те, чьи предсказания не сильно отличаются от предсказаний ОТО, и эти различия будет легко ликвидировать). И, вполне возможно, какая-то из них сможет даже превзойти Эйнштейна.

Кроме слияний черных дыр, LIGO может также обнаружить сигналы от странных объектов, которые невозможно будет соотнести ни с одной из теорий - например, таких, как космические струны. Космические струны - стабильные макроскопические одномерные объекты с высокой плотностью энергии, которые сформировались в ранней Вселенной, и все еще могут оставаться в ней и сейчас.

Images credit: Andrey Kravtsov (cosmological simulation, L); B. Allen & E.P. Shellard (simulation in a cosmic string Universe, R), via http://www.ctc.cam.ac.uk/outreach/origins/cosmic_structures_four.php.

Эти космические струны могут создавать пересечения, что заставляет их буквально взрываться гравитационными волнами. Если они еще и существуют сейчас, то могли бы рассказать нам про условия ранней Вселенной, в которых они формировались, и с их помощью можно проверить режимы очень высоких энергий, когда большую роль играли квантовая гравитация или теория великого объединения. Поэтому космические струны могут содержать информацию о фундаментальных вопросах физики. LIGO уже пытался найти космические струны, но потерпел неудачу. Увеличение его чувствительности в прошлом году позволяет надеяться на улучшение поиска этих объектов.

Image Credit: NASA Goddard Space Flight Center.

В заключение нужно отметить, что интерферометр гравитационных волн LIGO измеряет волны только определенного диапазона длин, а другие длины содержат могут содержать совершенно иную информацию о структурах Вселенной. Особенно интересно изучение доисторических гравитационных волн, которые существовали в ранней Вселенной - в них должно быть совершенно отчетливо видно квантовое поведение, обнаружение их поможет осуществить большой скачок в исследованиях. Объявление BICEP2 с последовавшим опровержением наглядно показало, что работа с ними по-настоящему тяжела, но измерения гравитационных волн еще пока делают первые шаги, и, несомненно, мы будем прилагать максимум усилий к накоплению этих новых данных.

Нет большой уверенности в том, что влияние квантовой гравитации можно будет измерить в ближайшем будущем, однако, всегда есть вероятность, что новые методы наблюдений принесут сюрпризы.

Не нужно витать в облаках, но и слишком приземлять их не следует.

Ярче тысячи солнц*

Out of the darkness - brighter than a thousand suns**

Не вижу препятствий не попереводить какой-нибудь эксклюзивчик про LIGO и гравитационные волны...

Завтра у нас выйдет статья теорфизика Сабины Хоссенфельдер про LIGO и поиск квантовой гравитации, где просто и со вкусом рассказывается о том, какое значение для современной физики имеет открытие гравитационных волн, о теориях, с которыми сейчас конкурирует ОТО, и об удивительных новых областях "гравитационного спектра" (не путать с электромагнитным), которые ждут нас - неисследованные, одинокие, заброшенные :'-(

А пока предлагаем вашему вниманию модельку слияния черных дыр, созданную проектом SXS (Simulating eXtreme Spacetimes) Project (http://www.black-holes.org).

На экране имеются две черные дыры - в начале ролика, и одна - в его конце. Цветом обозначены области, где (внимание!) время течет по-разному - в зеленых, скажем, нормальное течение времени, в желтых - на 20-30% медленнее, чем в зеленых, в красных один час - 7 лет на Земле (шутка, время там, как пишут, "очень существенно" медленнее, чем в зеленых областях). Синие и фиолетовые полосы - собственно, сами гравитационные волны, которые создаются вращением черных дыр и излучаются в пространство.

В левом верхнем углу показано течение времени для наблюдателя далеко от горизонта событий черных дыр.

Нижняя часть показывает вид гравитационной волны.

Во момент слияния пространство-время сильно искажаются, а после происходит сильный всплеск волн -  с короткими, но очень большими колебаниями, которые затем успокаиваются.

Столкновение черных дыр создает одно из самых мощных искажений ткани пространства-времени во Вселенной. Другими словами, столкновение черных дыр размером с город на Земле, создаст один из самых мощных взрывов Вселенной, который когда-либо наблюдали астрономы - это как в оптическом диапазоне увидеть свет всех солнц Вселенной!!

----

* - была такая книга об испытаниях первой атомной бомбы в Аламогордо, США в 1940х. Если интересно - поищите, где-то в сети, думаю, можно найти на русском.

** - Английская цитата приведена из песни Iron Maiden 'Brighter than a thousand suns'

JPL | Как исследовать поверхность кометы или астероида?

Эдвин Хаббл работает на 100-дюймовом телескопе Хукера

Это как если бы фанат музыки обнаружил редкое, доселе не публиковавшее видео со своим кумиром! Вот это да!!

Терскол. Экскурсия по двухметровому телескопу

Светопись. Фото 98. Туманность "Яйцо"