21.01.2025 18:41:00
Тензорная ловушка для гравитации
Физики предприняли очередную попытку великого объединения всех фундаментальных сил
Тэги: физика, гравитация, единая теория
Представление Алена Тензора. Большая буква «пси» (внизу) – обозначение волновой функции Шредингера. Иллюстрация Physorg
Лауреат Нобелевской премии 2020 года Роджер Пенроуз родился в английском Колчестере (в графстве Эссекс, что к югу от Лондона). Его отец, генетик, требовал, чтобы сын шел учиться на врача. Но тот бредил геометрией и изучением топологических свойств фигур. После Университетского колледжа в Лондоне Пенроуз перешел в Кембридж, где слушал лекции Пола Дирака, удостоенного Нобелевской премии вместе с Эрвином Шрёдингером.
Пенроуз был погружен в физику и математику, а конкретно – в тензорные сети (tensor nets), которые через полвека стали основой машинного обучения. Для их демонстрации англичанин использовал диаграммы. Название, похоже, было взято из грамматики с ее континуальной группой времен-«тензов» (tenses).
У Пенроуза тензор принимался как величина напряжения, она включает линейный несущий вектор направления и напряжения (на самом деле все сложнее). Его диаграммы отражали состояние Вселенной в трех временах-тензах, демонстрируя возможное решение «невозможных» уравнений, например x2 = –1. Пенроуз 60 лет назад опубликовал статью, в которой «свернул» пространство-время в точку (сингулярность). В ней оканчивается время. Позже Роджер Пенроуз вместе со Стивеном Хокингом предложили назвать точку черной дырой.
Звезды, как известно, выгорают, то есть полностью сжигают водород, который доступен для проведения в недрах звезды термоядерной реакции. При этом накопленная масса синтезированных элементов – вплоть до железа – коллапсирует (сжимается) под действием собственной гравитации. Она буквально «вжимает» электроны в протоны. В итоге рождается быстро вращающаяся нейтронная звезда. Возникает пульсар, испускающий SOS строго определенной частотой радиоимпульсами.
Первый пульсар открыла Джоселин Белл за два года до статьи Пенроуза. Нобелевскую премию дали ее руководителю, но помнят все именно ее. Искривление пространства-времени под действием мощной гравитации может дать черную дыру, но может вспыхнуть и сверхновая. В начале ХХI века были открыты сверхмощные всплески гамма-излучения, сокращенно GRB (Gamma Ray Burst), природу которых пытаются понять ученые. Самый мощный на сегодня GRB был зарегистрирован 9 октября 2022 года. Это событие получило даже имя собственное, по его дате: 221009. Результаты исследования очень редкого GRB высокой энергии с помощью наземных и орбитальных телескопов были представлены в конце марта 2023 года в журнале Astrophysical J. Letters.
Пенроуз отразил это достижения астрофизики и космологии в книге «Циклы времени». В ней он защищает идею наблюдаемого расширения Вселенной, которая в конечном итоге остынет до такой степени, что начнет под действием гравитации вновь сжиматься до сингулярности, после чего произойдет новый Big Bang, или Большой взрыв.
Сходные мысли неоднократно рождались в умах теоретиков. Дело в том, что ученым никак не удается объединить три фундаментальных взаимодействия (слабое, сильное и электромагнитное) с гравитацией. То есть не удается (пока?) ввести гравитационное взаимодействие в поле квантовой физики. Эту проблему называют еще унификацией Общей теории относительности (ОТО) Эйнштейна и электродинамики, квантовой механики и физики гравитационного континуума.
С 1915 года, когда была обнародована ОТО, делаются попытки понять, чем гравитация отличается от трех других взаимодействий. Одно время большие надежды возлагались на теорию струн (string theory). Но сегодня ее редко упоминают.
Возможно, что увлечение геометрией и тензорами (метрическими тензорами математических объектов) помогало в поисках квантовой гравитации. Эти поиски и привели к формулированию учеными из Варшавского университета понятия «Тензор Алена». Согласно этой концепции, пространство-время можно рассматривать как 2D-плоскость без каких бы то ни было искривлений, вызываемых действием гравитационных масс. Результаты приведены в публикации в журнале Physical Scripta.
Благодаря такому непривычному подходу становится возможным получить решение проблемы описания квантовой гравитации. И тогда физика станет единой, как она сегодня едина для трех известных взаимодействий.
Звучит необычно, но когда-то было невозможно представить себе существование пульсаров и черных дыр; столкновения их, приводящие к генерации гравитационных волн, а также выведение на орбиту самых разных телескопов. Например, телескопа Уэбба с инфракрасным инструментом, «заглянувшим» на миллиарды световых лет, до границ Вселенной.
Максим Ухин 
