Из четырех фундаментальных сил физики гравитация — это та, с которой мы чаще всего знакомы в повседневной жизни. Но она также единственная, которую в настоящее время нельзя объяснить с помощью квантовой физики. Ученые наметили план поиска признаков квантовой гравитации в космосе, прислушиваясь к «звону» сталкивающихся черных дыр.
Три из четырех фундаментальных взаимодействий — электромагнетизм, слабое и сильное ядерные взаимодействия — можно описать как поля, а еще они переносятся конкретными частицами. Электромагнетизм, например, переносится фотонами и создает электрические и магнитные поля.
Однако гравитацию нельзя объяснить таким образом. На данный момент лучшей моделью, которая у нас есть, является общая теория относительности Эйнштейна, но в определенных ситуациях — например, вблизи черных дыр — эта теория не работает, указывая на то, что она неполна. В течение десятилетий ученые искали способ дополнить теорию квантовой гравитации так, чтобы она объяснила бы саму силу с точки зрения квантовой механики, переносимую гипотетической частицей, называемой гравитоном, но до сих пор попытки были тщетными.
Недавно пара новых исследований показала, что в ближайшие годы у астрофизиков может наметиться прогресс. Гравитационные волны — это рябь в самой ткани пространства-времени, вызванная катастрофическими событиями, такими как столкновения между черными дырами и/или нейтронными звездами, которые обнаруживаются такими обсерваториями, как LIGO. Команда продемонстрировала, что «тона» этих столкновений могут намекать на физику, которая не совсем соответствует текущим моделям.
«Когда две черные дыры сливаются, образуя большую черную дыру, последняя черная дыра звенит как колокол», — рассказал Янбей Чен, соавтор обоих исследований. «Качество звона или его тембр может отличаться от предсказаний общей теории относительности, если верны некоторые теории квантовой гравитации. Наши методы предназначены для поиска различий в качестве этой фазы звонка, таких как, например, гармоники и обертоны» — добавил он.
В первом исследовании представлено новое уравнение, описывающее, как будут “звенеть” черные дыры при различных теориях квантовой гравитации. Он основан на уравнении, впервые разработанном физиком-теоретиком Солом Теукольским в 1970-х годах. Во втором исследовании команда описывает, как новое уравнение можно применить к данным, полученным с помощью LIGO, отфильтровывая фоновый шум.
Поскольку LIGO совсем недавно возобновил работу после трехлетнего перерыва для обновлений, вскоре мы сможем проверить идею квантовой гравитации.