Гравитационные волны должны постоянно искажать пространство-время

«Эффект гравитационной памяти» предсказывает, что проходящая гравитационная волна должна навсегда изменить структуру пространства-времени. Физики связывают это явление с потенциальным решением информационного парадокса черной дыры.

Кэти МакКормик

Первое обнаружение гравитационных волн в 2016 году явилось убедительным подтверждением общей теории относительности Эйнштейна. Но еще одно поразительное предсказание остается неподтвержденным: согласно общей теории относительности, каждая гравитационная волна должна оставлять неизгладимый след в структуре пространства-времени. Она должна постоянно напрягать пространство, смещая зеркала детектора гравитационных волн даже после того, как волна прошла.

«Эффект гравитационной памяти» предсказывает, что проходящая гравитационная волна должна навсегда изменить структуру пространства-времени. Физики связывают это явление с потенциальным решением информационного парадокса черной дыры.

С момента первого обнаружения почти шесть лет назад физики пытались выяснить, как измерить этот так называемый «эффект памяти».

«Эффект памяти — совершенно странное, странное явление, — сказал Пол Ласки , астрофизик из Университета Монаш в Австралии. «Это действительно глубокая вещь».

Их цели шире, чем просто наблюдение за постоянными шрамами пространства-времени, оставленными проходящей гравитационной волной. Изучая связи между материей, энергией и пространством-временем, физики надеются лучше понять информационный парадокс черной дыры Стивена Хокинга , который был основным направлением теоретических исследований на протяжении пяти десятилетий. «Существует тесная связь между эффектом памяти и симметрией пространства-времени», — сказал Кип Торн , физик из Калифорнийского технологического института, чья работа над гравитационными волнами принесла ему часть Нобелевской премии по физике 2017 года . «В конечном итоге это связано с потерей информации в черных дырах, очень глубокой проблемой в структуре пространства и времени».

Почему гравитационная волна навсегда изменила бы структуру пространства-времени? Все сводится к тесной связи пространства-времени и энергии в общей теории относительности.

Сначала рассмотрим, что происходит, когда гравитационная волна проходит мимо детектора гравитационных волн. Лазерно-интерферометрическая гравитационно-волновая обсерватория (LIGO) имеет два плеча, расположенных в форме буквы L. Если представить окружность, описывающую руки, с центром окружности на пересечении рук, то гравитационная волна будет периодически искажать окружность, сжимая ее то по вертикали, то по горизонтали, попеременно, пока волна не пройдет. Разница в длине между двумя рукавами будет колебаться — поведение, которое выявляет искажение круга и прохождение гравитационной волны.

Согласно эффекту памяти, после прохождения волны круг должен оставаться навсегда деформированным на крошечную величину. Причина этого связана с особенностями гравитации, описанными общей теорией относительности.

Объекты, которые обнаруживает LIGO, находятся так далеко, что их гравитационное притяжение ничтожно слабо. Но гравитационная волна имеет больший охват, чем сила тяжести. То же самое относится и к свойству, ответственному за эффект памяти: гравитационному потенциалу.

Говоря простыми ньютоновскими терминами, гравитационный потенциал измеряет, сколько энергии получит объект, если упадет с определенной высоты. Бросьте наковальню со скалы, и скорость наковальни на дне можно использовать для восстановления «потенциальной» энергии, которую может передать падение со скалы.

Но в общей теории относительности, где пространство-время растягивается и сжимается в разных направлениях в зависимости от движения тел, потенциал диктует больше, чем просто потенциальную энергию в определенном месте — он диктует форму пространства-времени.

«Память — это не что иное, как изменение гравитационного потенциала, — сказал Торн, — но это релятивистский гравитационный потенциал». Энергия проходящей гравитационной волны создает изменение гравитационного потенциала; это изменение потенциала искажает пространство-время даже после того, как волна прошла.

Как именно проходящая волна будет искажать пространство-время? Возможности буквально бесконечны, и, как ни странно, эти возможности также эквивалентны друг другу. Таким образом, пространство-время похоже на бесконечную игру Boggle. В классической игре Boggle есть 16 шестигранных кубиков, расположенных в сетке четыре на четыре, с буквой на каждой стороне каждого кубика. Каждый раз, когда игрок встряхивает сетку, кости стучат по ней и складываются в новое расположение букв. Большинство конфигураций отличимы друг от друга, но все они эквивалентны в более широком смысле. Все они покоятся в самом низкоэнергетическом состоянии, в котором могут находиться игральные кости. Когда через них проходит гравитационная волна, она сотрясает космическую доску Boggle, изменяя конфигурацию пространства-времени из одной шаткой конфигурации в другую. Но пространство-время остается в самом низкоэнергетическом состоянии.

Эта характеристика — вы можете менять доску, но в конечном итоге все остается по-прежнему — предполагает наличие скрытых симметрий в структуре пространства-времени. За последнее десятилетие физики явно установили эту связь.

История начинается в 1960-х годах, когда четыре физика хотели лучше понять общую теорию относительности. Они задавались вопросом, что произойдет в гипотетической области, бесконечно далекой от всей массы и энергии во Вселенной, где гравитационным притяжением можно пренебречь, а гравитационным излучением нельзя. Они начали с изучения симметрий, которым подчинялась эта область.

Они уже знали симметрии мира согласно специальной теории относительности, где пространство-время плоское и безликое. В таком гладком мире все выглядит одинаково, независимо от того, где вы находитесь, в каком направлении смотрите и с какой скоростью движетесь. Эти свойства соответствуют трансляционной, вращательной и буст-симметрии соответственно. Физики ожидали, что бесконечно далеко от всей материи во Вселенной, в области, называемой «асимптотически плоской», эти простые симметрии вновь возникнут.

К своему удивлению, они обнаружили бесконечный набор симметрий в дополнение к ожидаемым. Новые «супертрансляционные» симметрии указывали на то, что отдельные участки пространства-времени могут растягиваться, сжиматься и сдвигаться, а поведение в этой бесконечно далекой области останется прежним.

В 1980-х годах Абхай Аштекар , физик из Университета штата Пенсильвания, обнаружил, что эффект памяти является физическим проявлением этих симметрий. Другими словами, супертрансляция была именно тем, что заставило вселенную Боггла выбрать новый, но эквивалентный способ искривления пространства-времени.

Его работа связала эти абстрактные симметрии в гипотетической области Вселенной с реальными эффектами. «Для меня самое интересное в измерении эффекта памяти — это просто доказательство того, что эти симметрии действительно физические», — сказала Лаура Донней , физик из Венского технологического университета. «Даже очень хорошие физики не совсем понимают, что они действуют нетривиально и дают вам физические эффекты. И эффект памяти — один из них».

Суть игры Boggle состоит в том, чтобы найти слова в кажущемся случайным расположении букв на сетке. Каждая новая конфигурация скрывает новые слова, а значит и новую информацию.

Как и Боггл, пространство-время может хранить информацию, которая может стать ключом к решению печально известного информационного парадокса черной дыры. Вкратце парадокс таков: информацию нельзя создать или уничтожить. Так куда же девается информация о частицах после того, как они падают в черную дыру и переизлучаются в виде безинформационного излучения Хокинга?

В 2016 году Эндрю Строминджер , физик из Гарвардского университета, вместе со Стивеном Хокингом и Малкольмом Перри понял, что горизонт черной дыры имеет те же супертрансляционные симметрии, что и в асимптотически плоском пространстве. И по той же логике, что и раньше, будет сопровождающий эффект памяти. Это означало, что падающие частицы могли изменить пространство-время вблизи черной дыры, тем самым изменив ее информационное содержание. Это предлагало возможное решение информационного парадокса. Знания о свойствах частиц не были утеряны — они навсегда закодированы в ткани пространства-времени.

«Тот факт, что вы можете сказать что-то интересное об испарении черных дыр, довольно круто», — сказала Сабрина Пастерски , физик-теоретик из Принстонского университета. «Отправная точка фреймворка уже дала интересные результаты. И теперь мы продвигаем структуру еще дальше».

Пастерски и другие запустили новую исследовательскую программу, связывающую утверждения о гравитации и других областях физики с этими бесконечными симметриями. В поисках связей они обнаружили новые экзотические эффекты памяти. Пастерски установил связь между другим набором симметрий и эффектом спиновой памяти, когда пространство-время искривляется и искривляется из-за гравитационных волн, несущих угловой момент.

Увы, ученые LIGO еще не видели доказательств эффекта памяти. Изменение расстояния между зеркалами LIGO из-за гравитационной волны ничтожно мало — около одной тысячной ширины протона, а эффект памяти, по прогнозам, будет в 20 раз меньше.

Размещение LIGO на нашей шумной планете усугубляет ситуацию. Низкочастотный сейсмический шум имитирует долговременные изменения положения зеркал, вызванные эффектом памяти, поэтому отделить сигнал от шума непросто.

Гравитационное притяжение Земли также имеет тенденцию возвращать зеркала LIGO в исходное положение, стирая его память. Таким образом, хотя перегибы в пространстве-времени постоянны, изменения в положении зеркала, которые позволяют нам измерять перегибы, — нет. Исследователям нужно будет измерить смещение зеркал, вызванное эффектом памяти, до того, как гравитация успеет опустить их обратно.

В то время как обнаружение эффекта памяти, вызванного одиночной гравитационной волной, невозможно при современных технологиях, такие астрофизики, как Ласки и Патриция Шмидт из Бирмингемского университета, придумали умные обходные пути. «Что вы можете сделать, так это эффективно суммировать сигналы от нескольких слияний, — сказал Ласки, — накапливая доказательства очень строгим статистическим способом».

Ласки и Шмидт независимо друг от друга предсказали, что им потребуется более 1000 событий гравитационных волн, чтобы накопить достаточно статистических данных, чтобы подтвердить, что они видели эффект памяти. Благодаря постоянным улучшениям LIGO, а также вкладу детектора VIRGO в Италии и KAGRA в Японии, Ласки считает, что достижение 1000 обнаружений произойдет через несколько лет.

«Это такое особенное предсказание, — сказал Шмидт. «Очень интересно узнать, правда ли это на самом деле».

источник: