Наука раскрывающая загадки гравитации
Обновлено: 25.12.2024
Вчера Кип Торн, физик и автор книги «Интерстеллар. Наука за кадром», получил Нобелевскую премию за обнаружение гравитационных волн детектором LIGO. Почему это круто?
Только представьте: теперь мы знаем, что пространство-время действительно искривляется. Не факт, что черными дырами, но какими-то массивными телами. Гравитационные волны предсказал еще Эйнштейн (в одноименном графическом романе можете почитать, как это было). Но одно дело предположить, пусть ты и гений, а другой дело — доказать. И убедить в этом научное сообщество. Это фундаментальное открытие. Еще один кирпич в «стене» современной физики.
Конечно, Кип Торн был не один — премию по физике он получил вместе с коллегами Райнером Вассом и Барри Баришем. Да и на самом деле над этой проблемой работали тысячи ученых, в том числе российских. Так что это праздник для всех.
Если вам стало любопытно, читайте 😉 Cделали подборку статей по книге «Интерстеллар» — про гравитацию, детектор LIGO, межзвездные перелеты и не только.
Если все прочли, пройдите тест «Что вы знаете о Вселенной?». Действительно, что? 😉
А еще мы скоро выпустим книгу «Главная теория Эйнштейна» Джона Гриббина, одного из лучших научных писателей. Оставляйте свою почту, чтобы сразу узнать о выходе и получить скидки для первых читателей.
Вид с корабля, совершающего гравитационную пращу
Хоть режиссер Кристофер Нолан и решил не показывать гравитационные пращи (маневры, о которых мы расскажем ниже) в «Интерстеллар», Кипу Торну было интересно, как бы их увидел Купер, главный герой, пилотируя «Рейнджер» к планете Миллер. Поэтому он, используя свои уравнения, смоделировал изображения для камеры, которая вела бы запись с «Рейнджера», совершающего маневр вокруг черной дыры перед посадкой на планету Миллер.
Гравитационная праща вокруг дыры средней массы. Модель Кипа Торна, — иллюстрация из книги.
Средняя черная дыра захватывает лучи света, идущие от далеких звезд в направлении Гаргантюа, разворачивает их вокруг себя и выбрасывает в сторону камеры. Отсюда кольцо звездного света, которое окружает тень дыры средней массы. Хоть эта дыра и в тысячу раз меньше Гаргантюа, она находится гораздо ближе к «Рейнджеру» и потому не выглядит маленькой.
Жаль, но увидеть такое можно, лишь находясь поблизости от обеих черных дыр, а не с огромного удаления, на котором находится Земля.
Гравитационные маневры NASA в Солнечной системе
Траектория полета «Кассини» от Земли до Сатурна, — иллюстрация из книги
Эти планеты не отклоняли траекторию космолета резко — у них слишком маленькая гравитация, а помогали ему скомпенсировать недостаток топлива. В каждом из случаев «Кассини» огибал отклоняющие его планеты под таким углом, чтобы планетарная гравитация оптимальным образом толкала «Кассини» вперед, увеличивая его скорость.
«Кассини» исследовал Сатурн и его спутники в течение последних 10 лет, отправляя на Землю потрясающие фотографии и данные — сущий клад для ученых.
Если вам интересно, как наука и фильм невероятным образом сплелись в одно целое, смело беритесь за «Интерстеллар. Наука за кадром». Это непередаваемое интеллектуальное удовольствие!
Следующая загадка
Вселенная - это очень странное место, полное загадок и необъяснимых явлений. Несмотря на то, что ученые постоянно пытаются найти ответы на все вопросы, некоторые тайны бытия могут навсегда остаться неразгаданными независимо от того, насколько далеко зайдет развитие нашей науки и цивилизации.
- Мы начинаем обзор фундаментальных явлений и вопросов о Вселенной, которые нам, вероятно, никогда не удастся изучить до конца.
1. Мы никогда не узнаем, что такое гравитация
Одна из самых больших загадок в науке - природа гравитации. Это сила, с которой мы постоянно имеем дело, но в действительности знаем о ней меньше чем нам хотелось бы. Ньютон попытался решить эту проблему и придумал общий способ выразить то, как она себя ведет. Однако ньютоновские идеи оказались недостаточны для понимания того, как гравитация может действовать на расстоянии. Эйнштейн продвинулся дальше в объяснении механики этого феномена, но сам провел последние десятилетия своей жизни, пытаясь выяснить, что есть гравитация по своей природе. Увы, безрезультатно.
Image Credit: Karl Sisson Image Credit: Karl SissonСегодня ученые знают, как эта сила ведет себя в рамках пространства и времени, и могут предсказать различные варианты ее действия очень точно. Но что лежит в основе тяготения, остается неизвестным. Идеи на этот счет разнятся. Предположение о существовании элементарной частицы гравитона , передающей эту силу, является одной из гипотез. Проблема в том, что гравитоны так и не были обнаружены, и есть серьезные сомнения, что они вообще существуют.
Другой взгляд на проблему лежит в пределах эйнштейновского описания гравитации как искривления пространства-времени или "врожденного" ускорения в сторону массивных объектов. Однако вновь это неполное представление, которое лишь точнее описывает, как проявляет себя сила, но не саму природу явления.
Альберт Эйнштейн Альберт ЭйнштейнВозможно, самый странный аспект гравитации заключается в том, что это невероятно слабая сила. Ведь чтобы просто удержать вас на поверхности Земли, требуется вся ее масса, чтобы произвести достаточно гравитации для этого. Тем не менее, мы без особых проблем преодолеваем силу тяжести планеты, когда запускаем наши аппараты в космос. Вопрос "почему она так слаба" только добавляет к тайне феномена. Возникла даже гипотеза о том, что гравитация в может просачиваться в другие измерения , что якобы объясняет ее слабость в нашем континууме. Однако никаких научных подтверждений подобным "утечкам" не существует.
Таким образом, гравитация остается большой загадкой. Возможно, нам удастся однажды разгадать ее тайну, но есть также шанс, что мы никогда не сможем понять природу этого явления.
Продолжение следует.
Ставьте лайки и подписывайтесь на канал, чтобы не пропустить следующие выпуски. До новых встреч!
Следующая загадка
Разработка теории квантовой гравитации - одна из важнейших задач, стоящих перед физиками нашего столетия. Ученые долго пытаются создать единую "теорию всего".
Задача не из легких - необходимо объединить два столпа современной физики - теорию Эйнштейна об искривлении пространства-времени(ОТО) и квантовую теорию, описывающую поведение субатомных частиц. Мало одной только разной трактовки одних и тех же явлений.
Что еще хуже , для проверки теории квантовой гравитации требуются такие невероятные энергии и расстояния, какие в настоящее время в лабораториях недоступны. Тем не менее различные представления все же существуют.
Например, теория струн, согласно которой элементарные частицы являются крошечными колеблющимися энергетическими петлями, занимающие пространство из 9 или 10 измерений.
Зачем все это нужно?
Без квантовой теории гравитации невозможно описать Большой взрыв и черные дыры.
И еще - если гравитация носит квантовый характер, то доказательством должно стать обнаружение квантовой единицы - гравитона. Чего пока сделано не было. Да и гравитация - это слабейшее из фундаментальных взаимодействий и обнаружить гипотетический гравитон чрезвычайно трудно.
Гравитационные пращи
Те, кто смотрел фильм «Интерстеллар», знают: космолет «Эндюранс» ожидал возвращения экипажа с планеты Миллер — той, где один час равен 7 земным годам. Чтобы космолет не затянуло в черную дыру Гаргантюа, он должен вращаться на ее орбите с огромной скоростью. Экипаж, отправляюсь с «Эндюранс» на модуле «Рейнджер», должен был сильно снизить скорость на 100 000 км/сек, чтобы гравитацией его потянуло к дыре — и планете Миллер. И чтобы он мог сблизиться с планетой, их скорости должны сравняться. Но как можно добиться таких резких изменений скорости?
Полет «Рейнджера» к планете Миллер, — иллюстрация из книги.
Самые мощные из ракет, созданных на сегодняшний день людьми, способны развить скорость лишь до 15 километров в секунду, то есть в семь тысяч раз меньше, чем нужно. Возможно, самый быстрый космический корабль, который люди смогут построить в XXI веке, будет развивать скорость до 300 километров в секунду. Но этого все равно мало.
К счастью, природа все же дарит нам возможность совершать огромные скачки скоростей: гравитационные пращи вблизи черных дыр гораздо меньших размеров, чем Гаргантюа.
Следующая загадка
Оказывается, люди уже научились совершать межзвездные перелеты на гигантские расстояния. Раньше считалось, что использовать гравитацию для скачков в пространстве могут только сверхразвитие цивилизации, ведь топливо всегда ограничено — невозможно взять с собой столько, сколько захочется. Однако наука шагнула далеко вперед. Не все знают о том, что свершилась настоящая космическая революция.
Этот принцип, перелеты при помощи гравитации, продемонстрирован в нашумевшем фильме «Интерстеллар». Подробнее об этом удивительном явлении рассказывает Кип Торн, физик-теоретик, консультант фильма (именно он придумывал все, что имеет отношение к науке) и автор книги «Интерстеллар. Наука за кадром».
Следующая загадка
Наша Стандартная модель элементарных частиц и взаимодействий не так давно стала настолько полной, насколько вообще можно было желать. Все до единой элементарные частицы – во всех их возможных видах – создали в лаборатории, измерили, и для всех определили свойства. Дольше всех державшиеся верхний кварк, антикварк, тау-нейтрино и антинейтрино, и, наконец, бозон Хиггса, пали жертвами наших возможностей.
А последняя – бозон Хиггса – ещё и решила старую задачу физики: наконец, мы можем продемонстрировать, откуда элементарные частицы берут свою массу!
Это всё круто, но наука-то не заканчивается в момент окончания решения этой загадки. Наоборот, она поднимает важные вопросы, и один из них, это «а что дальше?». Насчёт Стандартной модели можно сказать, что мы ещё не всё знаем. И для большинства физиков один из вопросов особенно важен – для его описания давайте сначала рассмотрим следующее свойство Стандартной модели.
С одной стороны, слабое, электромагнитное и сильное взаимодействие могут быть очень важны, в зависимости от их энергий и расстояний, на которых происходит взаимодействие. Но с гравитацией всё не так.
Если вдруг вы читали эту прекрасную книгу автора Лизы Рэндал, она очень много написала про эту загадку, которую я бы назвал величайшей нерешённой проблемой теоретической физики: про проблему иерархии.
Мы можем взять две любых элементарных частицы – любой массы и подверженные любым взаимодействиям – и обнаружить, что гравитация на 40 порядков слабее, чем любая другая сила во Вселенной. Это значит, что сила гравитации в 10 40 раз слабее трёх оставшихся сил. К примеру, хотя они и не фундаментальные, но если вы возьмёте два протона и разнесёте их на метр, электромагнитное отталкивание между ними будет в 10 40 раз сильнее, чем гравитационное притяжение. Или, иными словами, нам нужно увеличить силу гравитации в 10 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 раз, чтобы сравнять её с любой другой из сил.
При этом нельзя просто увеличить массу протона в 10 20 раз, чтобы гравитация стянула их вместе, преодолевая электромагнитную силу.
Вместо этого для того, чтобы реакции вроде той, что проиллюстрирована выше, происходили спонтанно, когда протоны преодолевают их электромагнитное отталкивание, вам нужно собрать вместе 10 56 протонов. Только собравшись вместе и поддавшись силе гравитации, они смогут преодолеть электромагнетизм. Оказывается, что 10 56 протонов как раз составят минимальную возможную массу звезды.
Это описание того, как работает Вселенная – но почему она такая, мы не знаем. Почему гравитация настолько слабее остальных взаимодействий? Почему «гравитационный заряд» (т.е. масса) настолько слабее электрического или цветового, или даже слабого?
Вот в этом и состоит проблема иерархии, и она, по многим причинам, служит величайшей нерешённой проблемой физики. Ответ нам неизвестен, но нельзя сказать, что мы находимся в полном неведении. Теоретически у нас есть несколько хороших идей по поводу поиска решения, и инструмент для поиска доказательств их правильности.
Пока что Большой адронный коллайдер – самый высокоэнергетический из коллайдеров – достигал беспрецедентных уровней энергии в лабораторных условиях, собирал кучу данных и воссоздавал происходящее в точках столкновения. Сюда входят и создание новых, доселе невиданных частиц (таких, как бозон Хиггса), и появление старых, всем известных частиц Стандартной модели (кварки, лептоны, калибровочные бозоны). Также он способен, в случае их существования, произвести любые другие частицы, не входящие в Стандартную модель.
Кроме бозона Хиггса, найденного несколько лет назад, никаких новых фундаментальных частиц на БАК не нашли. (Более того, вообще не наблюдается никаких интригующих новых кандидатов в частицы). И ещё, найденная частица полностью соответствовала описанию Стандартной модели; никаких статистически важных намёков на новую физику замечено не было. Ни на композитные бозоны Хиггса, ни на множественные хиггсовские частицы, ни на нестандартные распады, ничего такого.
Но теперь мы начали получать данные от ещё более высоких энергий, в два раза больше предыдущих, до 13-14 ТэВ, чтобы найти что-нибудь ещё. И какие же в данном ключе есть возможные и разумные решения проблемы иерархии?
1) Суперсимметрия, или SUSY. Суперсимметрия – особая симметрия, способная заставить нормальные массы любых частиц, достаточно крупных для того, чтобы гравитация была сравнима с другими воздействиями, взаимно уничтожиться с большой степенью точности. Эта симметрия также предполагает, что у каждой частицы в стандартной модели есть суперчастица-партнёр, и что существует пять частиц Хиггса и пять их суперпартнёров. Если такая симметрия существует, она, должно быть, нарушена, или у суперпартнёров были бы такие же массы, как у обычных частиц, и их бы уже давно нашли.
Если SUSY существует на подходящем для решения проблемы иерархии масштабе, то БАК, дойдя до энергий в 14 ТэВ, должен найти хотя бы одного суперпартнёра, а также вторую частицу Хиггса. Иначе существование очень тяжёлых суперпартнёров само по себе приведёт ещё к одной проблеме иерархии, у которой не будет хорошего решения. (Что интересно, отсутствие SUSY-частиц на всех энергиях опровергнет теорию струн, поскольку суперсимметрия – это необходимое условие для теорий струн, содержащих стандартную модель элементарных частиц).
Вот вам первое возможное решение проблемы иерархии, у которого в настоящий момент нет никаких доказательств.
2) Техницвет (Technicolor). Нет, то не система цветового кино из 1950-х, это физический термин для обозначения теорий, требующих новых калибровочных взаимодействий, и либо не имеющих хиггсовских частиц, либо имеющих нестабильные или ненаблюдаемые (т.е. композитные) хиггсовские частицы. Если бы техницвет подтвердился, ему бы тоже потребовался новый и интересный набор наблюдаемых частиц. В принципе, эта система могла бы быть решением нашей проблемы, но недавнее открытие частицы спина ноль на нужном уровне энергии, судя по всему, опровергает это возможное решение. Вот если бы эта хиггсовская частица оказалась бы не фундаментальной, а композитной, сделанной из нескольких фундаментальных, это бы помогло теории остаться приемлемым решением. Будущей проверки на БАК на энергиях в 13-14 ТэВ будет достаточно, чтобы узнать это наверняка.
Есть ещё две возможности, одна из них более многообещающая, но обе они включают дополнительные измерения.
3) Свёрнутые дополнительные измерения. Эта теория, введённая упомянутой уже Лизой Рэндал [Lisa Randall] вместе с Раманом Сандрамом [Raman Sundrum], постулирует, что гравитация, на самом деле, такая же сильная, как и остальные воздействия, но только не во Вселенной с тремя пространственными измерениями. Она обитает в другой Вселенной с тремя пространственными измерениями, сдвинутой относительно нашей всего на 10 -31 метров в четвёртом пространственном измерении (или, как изображено на диаграмме выше, в пятом измерении, при включении времени). Эта теория интересна, поскольку такая система была бы стабильной и могла бы предложить объяснение того, почему Вселенная так быстро расширялась в самом начале (а свёрнутое пространство-время способно на такое), поэтому у неё есть сильные преимущества.
В неё также должен входить дополнительный набор частиц; не суперсимметричных, а частиц Калуцы-Клейна, и это является следствием наличия дополнительных измерений. Кстати, в космическом эксперименте был получен намёк на существование частиц Калуцы-Клейна при энергиях в 600 ГэВ, или с массой в 5 раз больше, чем у Хиггса. И, хотя на текущих коллайдерах такие энергии пока не достигаются, новый БАК должен будет суметь создать такие частицы в изобилии, если они существуют.
Но существование этой новой частицы не гарантировано, поскольку полученный сигнал – всего лишь избыток наблюдавшихся электронов по сравнению с ожидаемым фоном. Но её нужно иметь в виду, поскольку, когда БАК разгонится до максимальных энергий, почти все частицы массой ниже 1000 ГэВ должны будут оказаться в пределах его досягаемости.
4) Большие дополнительные измерения. Дополнительные измерения могут быть не свёрнутыми, а большими, но большими только по сравнению со свёрнутыми, размер которых составляет 10 -31 м. «Большие» измерения должны быть миллиметровых размеров, поэтому новые частицы должны начать появляться в пределах возможностей БАК. Опять-таки, могут проявиться и частицы Калуцы-Клейна, и это может стать возможным решением проблемы иерархии.
Но одним следствием этой модели будет то, что гравитация будет сильно отклоняться от ньютоновской на расстояниях меньше миллиметра, а проверить это очень нелегко. Современные экспериментаторы, тем не менее, уже готовы принять вызов.
Имеется возможность создать крохотные сверхохлаждённые кронштейны, наполненные пьезоэлектрическими кристаллами (вырабатывающими электроэнергию при деформации), с расстояниями между ними порядка микронов. Эта технология позволяет нам наложить на «большие» измерения ограничения в 5-10 микрон. Иначе говоря, гравитация работает согласно предсказаниям ОТО на масштабах гораздо меньших миллиметра. Так что если и существуют большие дополнительные измерения, они находятся на уровнях энергий, недоступных для БАК, и что более важно, не решают проблему иерархии.
Конечно, для проблемы иерархии может найтись совершенно другое решение, которое на современных коллайдерах не найти, или решения ей вообще нет; это просто может быть свойство природы безо всякого объяснения для него. Но наука не будет продвигаться без попыток, и именно это пытаются делать эти идеи и поиски: продвигать наши знания о Вселенной вперёд. И, как всегда, с началом второго запуска БАК я с нетерпением ожидаю того, что там может появиться, кроме уже открытого бозона Хиггса!
Полет через гравитационную пращу
Звезды и небольшие черные дыры собираются вокруг гигантских черных дыр вроде Гаргантюа. Купер и его команда разузнали обо всех небольших черных дырах, вращающихся вокруг Гаргантюа. Они нашли среди них дыру, положение которой подходит, чтобы ее гравитация отклонила «Рейнджер» от его почти круговой орбиты и направила его к планете Миллер. Такой маневр называется «гравитационной пращой», и NASA успела не раз применить его в Солнечной системе; правда, использовалась не черная дыра, а планетарная гравитация.
Слева: галактика Андромеды, в ядре которой скрывается черная дыра размером с Гаргантюа. Справа: динамическое трение, благодаря которому дыра средней массы замедляется и притягивается к гигантской черной дыре, — иллюстрация из книги.
Считается, что порой дыры средней массы возникают в центре плотных скоплений звезд. Возьмем для примера галактику Андромеды, ближайшую к нашей крупную галактику, в ядре которой скрывается черная дыра размером с Гаргантюа, массой в 100 миллионов Солнц. К таким гигантским черным дырам стягивается огромное количество звезд. Когда дыра средней массы проходит через столь насыщенную область, она силой своей гравитации смещает звезды, оставляя за собой след повышенной звездной плотности. А след, в свою очередь, притягивает дыру средней массы, замедляя ее движение, — и ее затягивает ближе к гигантской черной дыре.
Этот маневр, гравитационная праща, не показан и не обсуждается в «Интерстеллар», но позже Купер говорит: «Смотри, я могу обогнуть эту нейтронную звезду, чтобы притормозить».
Читайте также: