Загадочная связь между силами природы позволяет физикам исследовать квантовую сторону гравитации. Насколько физики смогли определить, природа говорит на двух взаимно непонятных языках: один — для гравитации, а другой — для всего остального. Кривизна ткани пространства-времени указывает планетам и людям, в какую сторону падать, в то время как все остальные силы возникают в результате действия квантовых частиц.
Альберт Эйнштейн впервые заговорил о гравитации в терминах изгибов пространства-времени в своей общей теории относительности. Большинство теоретиков предполагает, что гравитация на самом деле действует на нас посредством частиц, называемых гравитонами, но попытки переписать теорию Эйнштейна с использованием квантовых правил, как правило, приводят к бессмыслице. Разрыв между этими силами глубок, и полное объединение двух грамматик кажется далёким.
Однако в последние годы сбивающий с толку инструмент перевода, известный как «двойная копия» (double copy), оказался удивительно искусным в превращении некоторых гравитационных объектов, таких как гравитоны и чёрные дыры, в гораздо более простые квантовые эквиваленты.
«В нашей картине мира существует раскол, а это его устраняет», — сказал Лерон Борстен, физик из Дублинского института перспективных исследований.
Хотя эта недоказанная математическая связь между гравитацией и квантовыми силами не имеет чёткой физической интерпретации, она позволяет физикам проводить почти невозможные гравитационные расчёты и намекает на что-то общее, лежащее в основе всех сил.
Джон Джозеф Карраско, физик из Северо-Западного университета, сказал, что любой, кто проводит время с двойной копией, уходит, полагая, что «это коренится в другом способе понимания гравитации».
Гравитация против всего остального
По одну сторону фундаментального разделения физики стоят электромагнитное, слабое и сильное взаимодействия. У каждого из этих взаимодействий есть собственная частица-переносчик (или несколько частиц) и некоторое качество, на которое частица реагирует. Например, в электромагнетизме для перемещения частиц, обладающих зарядом, используются фотоны, в то время как сильное взаимодействие передается глюонами, которые воздействуют на частицы со свойством, называемым цветом.
Любое событие, связанное с этими силами, физики могут описать как последовательность рассеиваний частиц друг на друге. Событие может начинаться с двух частиц, приближающихся друг к другу, и заканчиваться двумя разлетающимися частицами. В принципе, между ними может происходить бесконечно много взаимодействий. Но теоретики научились делать пугающе точные предсказания, отдавая приоритет простейшим, наиболее вероятным последовательностям.
С помощью процедуры двойного копирования «сложная вещь сводится к чему-то невероятно простому».
Донал о’Коннелл
На другой стороне пропасти стоит гравитация, которая восстает против такого обращения.
Гравитоны взаимодействуют друг с другом, порождая петлевые уравнения типа уравнений Эшера. Также они размножаются с распущенностью, которая заставила бы покраснеть кролика. Когда гравитоны смешиваются, может появиться любое их количество, что усложняет схему определения приоритетов, используемую для других взаимодействий. Просто записывать формулы для несложных гравитационных задач — тяжёлая работа. Однако процедура двойного копирования служит очевидным чёрным ходом.
Цви Берн и Ланс Диксон, к которым позже присоединились Карраско и Хенрик Йоханссон, в 2000-х годах разработали процедуру, развивая более старые работы по теории струн, кандидата на квантовую теорию гравитации. В теории струн О-образные петли, представляющие гравитоны, действуют как пары S-образных струн, соответствующих переносчикам других взаимодействий. Исследователи обнаружили, что эта связь справедлива и для точечных частиц, а не только для гипотетических струн.
В сумме всех возможных взаимодействий, которые могут произойти во время события рассеяния частиц, математический член, представляющий каждое взаимодействие, распадается на две части, подобно тому, как число 6 разлагается на 2 × 3. Первая часть отражает природу рассматриваемой силы; для сильного взаимодействия этот член относится к свойству, называемому цветом. Второй член выражает движение частиц — «кинематику».
Чтобы выполнить двойное копирование, отбрасывается цветовой член и заменяется копией кинематического члена, превращая 2 × 3 в 3 × 3. Если 6 описывает результат события сильного взаимодействия, то двойная копия говорит нам, что 9 будет соответствовать некоторому сопоставимому событию с гравитоном.
У двойной копии есть ахиллесова пята: перед выполнением процедуры теоретики должны переписать дополнительный кинематический член в форме, похожей на цветовой член. Такое переформатирование трудно выполнить, и оно не всегда возможно, поскольку сумма уточняется, чтобы включить всё более запутанные взаимодействия. Однако если кинематика позволяет, получить результат для гравитации так же просто, как превратить 2 × 3 в 3 × 3.
Это свидетельствует о чём-то важном и первоначальном, или это какой-то трюк?
Джон Джозеф Карраско
«Как только вы осознаете эти отношения, гравитация приходит сама собой», — рассказывает Борстен.
Эта процедура не имеет большого физического смысла, поскольку гравитоны не являются парами глюонов в буквально смысле. Однако это мощный математический короткий путь к решению. После разработки «двойной копии» Берн бросил вызов общепринятому мнению, которое гласит, что все теории гравитации на основе частиц дают бессмысленные, бесконечные ответы.
Берн, Карраско и другие учёные потратили годы на разработку экзотической теории под названием супергравитация, которая уравновешивает гравитоны с частицами-партнёрами математически красивым способом. Используя двойную копию, они выполнили всё более точные расчёты по супергравитации. Хотя супергравитация слишком симметрична, чтобы отражать наш мир, её простота делает её самым низким яблоком на дереве возможных теорий гравитации на основе частиц. Берн и компания надеются распространить свои вычислительные успехи на более реалистичные теории.
Двойное копирование для чёрных дыр
Воодушевлённые успехом применения двойной копии к гравитонам — наименьшей возможной ряби пространства-времени, Донал О'Коннелл из Эдинбургского университета, а также Рикардо Монтейро и Крис Уайт из Лондонского университета Королевы Марии использовали двойное копирование, чтобы переосмыслить самый экстремальный трюк в репертуаре гравитации.
Чёрные дыры, как известно, деформируют пространство-время достаточно интенсивно, чтобы задерживать свет, а вращающиеся чёрные дыры тащат за собой искривлённую ткань пространства-времени. Их уравнения очень сложные. Если вы посмотрите на уравнения вращающейся чёрной дыры, «ваши глаза, наверное, начнут кровоточить», — рассказывает О'Коннелл.
Исследователи разделяют искривлённое пространство-время чёрной дыры на две части: плоское пространство-время и член, представляющий сильное отклонение от плоскостности. Затем, объяснил Монтейро, они спросили себя, является ли представляющий отклонение член двойной копией чего-то.
Это так. Как стационарные, так и вращающиеся чёрные дыры ведут себя так, как будто они — двойные копии заряженных частиц, сообщила группа учёных в 2014 году. «Вы сводите эту сложную вещь к чему-то невероятно простому», — рассказывает О'Коннелл.
Чёрные дыры не являются буквально двумя копиями электронов. Однако их математическая взаимосвязь ослабляет мёртвую хватку, с которой теория относительности Эйнштейна держит сферу гравитации. «Мой секретный генеральный замысел состоит в том, чтобы показать, что можно вычислить что угодно, используя двойную копию, которую можно вычислить с помощью классических уравнений Эйнштейна», — сказал О'Коннелл.
Недавно практикующие двойное копирование учёные перешли к гравитационно-волновой астрономии, новой дисциплине, которая обнаруживает удалённые объекты и события по создаваемой этими событиями ряби в пространстве-времени. Всего за несколько лет Берн и его коллеги с помощью этого короткого пути получили предсказания для гравитационных волн, которые уже соперничают с современными расчётами из общей теории относительности.
Общий язык
Двойная копия выявила скрытую, более простую сторону гравитации, но даже теоретики, посвятившие свою карьеру изучению данной взаимосвязи, задаются вопросом, откуда берётся эта простота.
«Это говорит нам о чем-то важном и первоначальном, или это какой-то трюк?» — спрашивает Карраско.
Исследователи отмечают, что электромагнетизм, слабое и сильное взаимодействия вытекают непосредственно из симметрии определённого вида — преобразования, которое в целом ничего не меняет (например, поворот квадрата на 90° даёт нам тот же самый квадрат).
Интересно, что переписанная с помощью двойного копирования гравитация, по-видимому, подчиняется симметрии, аналогичной симметрии данных трёх квантовых сил. Это «как будто есть четвёртая, материнская симметрия, — сказал О'Коннелл, — симметрия, лежащая в основе всего этого».
Путь к полной теории квантовой гравитации долог и не определён, и двойная копия, возможно, не приведёт к ней. Однако её способность пробиваться сквозь многословие, заполняющее расчёты, даёт теоретикам надежду на то, что эти две противоборствующие формулировки современной физики — ещё не конец. «Это яркий пример существования языков, которые нужно изучать и которые не проявляются в подходе, традиционно используемом для описания теорий», — рассказывает Карраско.
Физика лежит в основе всех без исключения технологий и изобретений. Если вам интересна не только теоретическая часть физики, но и работа с её последними технологическими достижениями, такими как GPU, на практике, вы можете обратить внимание на наш курс Machine Learning и Deep Learning, партнёром которого является компания NVIDIA — лидер в сфере вычислений для искусственного интеллекта.
Узнайте, как прокачаться и в других специальностях или освоить их с нуля:
Другие профессии и курсы
ПРОФЕССИИ
КУРСЫ
