Когда черные дыры сталкиваются, они посылают гравитационную рябь через ткань пространства-времени. Постепенно эта рябь успокаивается. Но пространство-время хранит секрет. Оно не возвращается в исходное состояние. Оно помнит. Это явление — гравитационная память — ключ к тайнам квантовой гравитации и скрытым симметриям Вселенной. И ученые близки к тому, чтобы ее услышать.
В 1960-х физик Джозеф Вебер объявил о первом обнаружении гравитационных волн. Его инструменты — вибрирующие алюминиевые цилиндры — вызвали сенсацию, но еще и скепсис коллег. Александр Полнарев и Яков Зельдович доказали, что даже мощнейшие волны из центра Галактики не оставили бы след в скромных установках Вебера. Для этого требовалась чувствительность выше в 100 миллионов раз. Опыт Вебера оказался ошибкой. Но расчеты Полнарева и Зельдовича открыли нечто неожиданное: частицы, тронутые гравитационной волной, не возвращаются на место. Пространство-время навсегда растягивается в одном направлении и сжимается в другом. Так родилась идея гравитационной памяти.
Эффект-призрак
Гравитационная память — слабейший след в структуре реальности. Предсказанный Общей теорией относительности Эйнштейна (ОТО), он десятилетиями казался абстракцией. Даже открытие гравитационных волн обсерваторией LIGO в 2016 году не изменило мнения большинства. Детектировать саму рябь — подвиг. Увидеть ее вечный отпечаток — фантастика. Но не для Пола Ласки.
Прорыв на конференции
В 2015 году, перед сенсационным объявлением LIGO, Ласки (Университет Монаш, Австралия) оказался среди избранных на встрече в Пасадене. Обсуждали слияния черных дыр, тонкости детекторов. Гравитационная память волновала немногих. Ласки нашел единомышленников: Эрик Трэйн и Юрий Левин (Монаш), Джонатан Блэкмэн и Яньбэй Чэнь (Калтех). Обе группы независимо искали путь к обнаружению памяти. Их идея: крошечный сдвиг в сигнале гравитационной волны. Один сигнал — слишком слаб. Множество сигналов, сложенных вместе — шанс.
Работа шла в аврале. Расчеты прямо на лекциях. Ужины отменяли. Чэнь сразу заметил серьезную проблему, упущенную Ласки. Через неделю упорства — решение. Расчеты показали: объединение данных LIGO и детектора Virgo (Италия) способно выявить память. Нужно от 500 до 4000 событий. Около 1000 — реалистичная цель для уверенного обнаружения.
На пороге открытия
Сейчас LIGO, Virgo и японский детектор KAGRA возобновили работу после модернизации. Новые события регистрируют еженедельно. Общее число превысило 100 и растет. Ученые надеются зафиксировать гравитационную память в ближайшие годы.
Почему это важно? Загадка черных дыр
Открытие станет новым триумфом ОТО. Но парадоксально: оно же может указать на ее пределы. Ключ — в финале слияния черных дыр. Новая черная дыра "звучит" — колеблется, испуская гравитационные волны, прежде чем успокоиться. Форма этого "звучания" (рингдауна) зависит от законов гравитации. В ОТО черные дыры "лысые": их описывают только масса и вращение. Любые другие параметры — запрещенные "волосы". Если дыры подчиняются другой теории, у них могут быть "волосы", и "звучать" они будут иначе.
Ласки ищет "волосы", измеряя рингдаун с максимальной точностью. Проблема: часть сигнала от гравитационной памяти предсказано появляться одновременно с рингдауном. Чтобы понять рингдаун, нужно сначала вычленить вклад памяти. Если ученые разделят сигналы и найдут "волосы", это станет веским аргументом: ОТО требует замены на квантовую теорию гравитации, объединяющую все силы природы.
Симметрии и мягкие частицы
Значение памяти простирается глубже. Она — свидетельство бесконечных скрытых симметрий пространства-времени, "супертрансляций". Эти симметрии описывают ту же математику, что и гравитационная память. Обнаружение памяти подтвердит их реальность.
Теоретик Эндрю Стромингер (Гарвард) обнаружил ключевую связь. Гравитационная память и супертрансляции математически эквивалентны поведению особых квантовых частиц с нулевой энергией — "мягких частиц". Стромингер показал: уравнения, описывающие столкновения мягких частиц и черных дыр (порождающих память), идентичны. Он замкнул "инфракрасный треугольник": три угла (мягкие частицы, супертрансляции, гравитационная память) описывают одну суть разными способами.
Квантовая гравитация и голограмма
Инфракрасный треугольник — компас для искателей квантовой гравитации. Любая жизнеспособная теория должна подчиняться супертрансляционным симметриям. Это резко сужает круг кандидатов. "Она не скажет, что такое квантовая гравитация, но сильно поможет", — утверждает Ласки.
Треугольник поддерживает смелую идею: наша Вселенная — голограмма. Гипотеза предполагает: 4D пространство-время — проекция 2D поверхности, управляемой квантовыми законами без гравитации. Но она работала лишь для абстрактных моделей, не похожих на нашу Вселенную. Андреа Пум (Центр теоретической физики, Франция) показал: если наше пространство-время обладает супертрансляционными симметриями, то 2D квантовая теория-проекция должна обладать ими же. Подтверждение супертрансляций (через память) станет шагом к голографическому описанию реальности.
Черные дыры помнят?
Инфракрасный треугольник предсказывает новый эффект. Черные дыры, подчиняющиеся супертрансляциям, испускают мягкие частицы, которые оседают на их поверхности. Этот процесс включает ударную волну, деформирующую горизонт событий черной дыры — подобно деформации от гравитационной волны. "Мы называем это эффектом 'памяти черной дыры'", — объясняет Пум.
Эхо в других силах
Гравитационная память — не единственная. В начале 2010-х Дэвид Гарфинкл (Оклендский университет) и Лидия Биери (Мичиганский университет) обнаружили электромагнитный аналог. Электромагнитные волны оставляют "память", придавая импульс заряженным частицам. Эксперимент возможен с помощью коротких импульсов в длинных антеннах. Существует "цветовая память" в квантовой хромодинамике (теории сильного взаимодействия). Проходящее излучение оставляет след на "цветовом заряде" кварков. Возможные намеки видны на БАК, но ясность принесут будущие установки, например, Электрон-ионный коллайдер.
Post Scriptum
Несмотря на энтузиазм, к перспективам обнаружения гравитационной памяти и ее интерпретациям стоит относиться с умеренным скепсисом.
- Экспериментальные трудности: Требуемое число событий (500-4000) огромно. Даже при оптимистичном сценарии (1000 событий) и текущих темпах обнаружения (несколько десятков в год) ждать придется годы, если не десятилетия. Технические шумы детекторов или неучтенные систематические ошибки могут полностью замаскировать ничтожный эффект памяти.
- Интерпретация "волос": Связь памяти с возможным нарушением "теоремы об отсутствии волос" у черных дыр спекулятивна. Чрезвычайно сложно будет однозначно разделить вклад памяти и сигнала рингдауна в данных. Альтернативные объяснения любых отклонений от ОТО всегда возможны.
- Спекулятивность следствий: Связь гравитационной памяти с голографическим принципом и "памятью черной дыры" основана на сложных теоретических конструкциях, далеких от экспериментальной проверки. Подтверждение памяти подтвердит симметрии, но не докажет голографическую природу Вселенной автоматически.
- Альтернативные теории: Хотя инфракрасный треугольник накладывает жесткие ограничения, он не гарантирует единственности пути к квантовой гравитации. Возможны теории, обходящие эти ограничения или интерпретирующие "мягкие" секторы иначе.
Обнаружение гравитационной памяти станет вехой в физике. Но ее истинное значение для понимания квантовой гравитации и структуры реальности прояснится лишь в результате долгой и кропотливой работы по интерпретации данных и развитию теорий.
-----
Если понравился материал и вы считаете его познавательным и стоящим вашего внимания, вы можете поддержать автора «трудовым рублем» (5336 6902 0053 5906), либо через Дзен по ссылке.
