Клаудия де Рам, профессор теоретической физики в Имперском колледже Лондона, представляет глубокий анализ природы гравитации, ее парадоксов и ограничений общей теории относительности Эйнштейна. В своем масштабном выступлении в Королевском институте (The Royal Institution) исследовательница объясняет, почему главная сила Вселенной может обладать массой, как это меняет наше представление о космосе и каким образом теория массивной гравитации способна разрешить величайший кризис современной физики.
🍏 Что мы чувствуем, когда падаем? Загадка принципа эквивалентности 1:33
Когда человек падает и ударяется о землю, он испытывает боль, однако, как подчеркивает Клаудия де Рам, это ощущение фундаментально не связано с самой гравитацией. Боль при ударе — это результат действия сил контакта между твердыми объектами, а именно электромагнитных связей между атомами в клетках нашего тела и атомами земли. Здесь также вступает в силу принцип исключения Паули, который запрещает двум электронам одновременно находиться в одном и том же квантовом состоянии, заставляя структуры адаптироваться друг к другу при столкновении.
Чтобы по-настоящему прочувствовать гравитацию, необходимо абстрагироваться от всех остальных физических взаимодействий. Обычный прыжок с парашютом не дает полной свободы, поскольку человек отчетливо ощущает сопротивление и давление воздуха на переднюю часть своего тела. Истинное гравитационное воздействие можно пережить только в условиях чистого свободного падения — например, на орбите Земли. В космическом пространстве человек физически ничего не чувствует, несмотря на то, что постоянно падает под влиянием гравитации. Это происходит потому, что сила притяжения действует на каждую частицу, атом, молекулу внутри тела и даже на воздух в скафандре абсолютно одинаково.
Данный феномен носит название принципа эквивалентности. Он постулирует, что гравитация воздействует на все объекты и на всех людей полностью идентичным образом. Исторически этот принцип был сформулирован Галилео Галилеем в конце XVI века. Наглядно его подтвердил астронавт Дэйв Скотт во время миссии «Аполлон» на Луне, где из-за отсутствия атмосферного трения одновременно сброшенные молоток и птичье перо достигли лунной поверхности в одну и ту же секунду.
В стенах The Royal Institution этот эксперимент воспроизводится в земных условиях с помощью специальной стеклянной трубы, из которой полностью откачан воздух. При демонстрации опыта монета и кусочки бумаги внутри вакуумной трубы падают с одинаковой скоростью. Физические свойства предметов:
- Масса;
- Форма;
- Цвет.
Все эти параметры не влияют на характер падения, если изолировать систему от внешних аэродинамических сил. Универсальность этого взаимодействия доказывает, что гравитация одинаково влияет как на легчайшее перо, так и на массивную черную дыру.
🌌 Ткань пространства-времени и лоскутное одеяло жизни 6:34
Универсальный характер гравитации привел Альберта Эйнштейна к выводу, что притяжение — это не просто классическое силовое взаимодействие двух изолированных масс. Гравитация закодирована в самой структуре пространства и времени. Согласно общей теории относительности Эйнштейна, любой массивный объект (человек, планета Земля или Солнце) искривляет структуру пространства-времени вокруг себя. Именно это локальное искривление мы и воспринимаем как гравитационное притяжение: чем больше масса тела, тем сильнее деформация ткани космоса.
Для объяснения природы искривления Клаудия де Рам использует архитектурную аналогию. Представьте изогнутую поверхность купола здания, выложенную абсолютно плоской плиткой. Каждая плитка сама по себе не имеет изгиба, но способ их соединения друг с другом заставляет проявиться общую кривизну поверхности. Если провести по такой конструкции прямую линию, со стороны она покажется изогнутой. Подобным образом ведут себя планеты: их орбиты кажутся нам эллиптическими, но в искривленном пространстве-времени они движутся по абсолютно прямым траекториям (геодезическим линиям), адаптируясь к геометрии Вселенной.
Исследовательница проводит параллель между физической структурой мира и собственной биографией, делясь личной историей. За свою жизнь ей довелось жить и работать в самых разных точках планеты:
- Швейцария;
- Перу;
- Мадагаскар;
- Франция;
- Индонезия;
- Канада;
- Великобритания;
- США.
Каждый переезд заставлял заново выстраивать связи с людьми и окружением. По мнению Клаудии де Рам, существование любого человека представляет собой мозаику, лоскутное одеяло из событий в пространстве и времени. В мире нет «искривленных жизненных путей» — все мы движемся по прямым траекториям, которые лишь адаптируются к сложности и кривизне окружающего социума и природы.
⚡ Сила Барби против притяжения Земли: уроки Майкла Фарадея 11:15
Примерно 225 лет назад в том же лекционном театре Королевского института Майкл Фарадей проводил свои фундаментальные эксперименты с электричеством и магнетизмом. Он стал одним из первых ученых, осознавших, что электрические и магнитные силы — это не два изолированных явления, а разные проявления единого электромагнитного взаимодействия.
Чтобы наглядно показать колоссальную разницу в мощности между электромагнетизмом и гравитацией, профессор де Рам проводит интерактивный эксперимент с куклой Барби и генератором Ван де Граафа. Физик шутит, что кукла слегка пострадала, поскольку «в начале недели участвовала в битве против Оппенгеймера и победила его, так что мировой порядок восстановлен». При включении прибора волосы куклы мгновенно поднимаются вверх.
Перенос всего нескольких электронов на волосы куклы создает электромагнитную силу отталкивания, которая полностью компенсирует и побеждает гравитационное притяжение всей планеты Земля. Это наглядно демонстрирует, насколько слабой силой является гравитация в масштабах микромира. В процессе электрического разряда возникают видимые вспышки света. Ускорение электрических зарядов порождает электромагнитную волну, квантовым носителем (мессенджером) которой выступает фотон. Мы используем этот базовый принцип в повседневных технологиях:
- В лампах накаливания, где электроны ускоряются взад и вперед для генерации видимого света;
- В телекоммуникационных антеннах, излучающих радиоволны определенной частоты.
🌊 Гравитационные волны и предсказание собственного краха 15:48
Несмотря на популярный тезис о том, что гравитация — это чисто геометрический изгиб пространства, Клаудия де Рам подчеркивает: на фундаментальном уровне гравитация остается полноценной физической силой. Ее можно описать математически точно так же, как и электромагнитное взаимодействие. Если ускорение электрических зарядов рождает свет, то ускорение массивов материи порождает гравитационные волны.
Обычное взмахивание руками человека тоже создает гравитационные волны, однако их интенсивность настолько ничтожна, что ее невозможно зарегистрировать никакими приборами. Чтобы волны стали доступными для наблюдений, требуются колоссальные массы, движущиеся с огромным ускорением на близком расстоянии друг от друга — например, сталкивающиеся и сливающиеся черные дыры или нейтронные звезды. Зафиксировать их искажения позволяют интерферометры, измеряющие деформацию пространства в разных направлениях.
Первый в истории сигнал гравитационных волн от слияния черных дыр был зарегистрирован на Земле в сентябре 2015 года, а официальное объявление об открытии состоялось 11 февраля 2016 года. Тогда мировые СМИ вышли с заголовками «Эйнштейн был прав». Однако, по мнению профессора де Рам, суть науки заключается не в том, чтобы доказывать чью-то правоту или неправоту, а в открытии принципиально нового.
Самая выдающаяся черта общей теории относительности Эйнштейна заключается в том, что она математически предсказывает свой собственный крах. Теория четко очерчивает границы, за которыми ее предсказания теряют физический смысл, указывая ученым, где именно нужно искать новые фундаментальные открытия.
⚛️ Квантовая ванна Хиггса и предел Планка 20:11
В современной физике выделяют четыре фундаментальные силы природы:
- Электромагнитное взаимодействие (объединяющее электричество и магнетизм);
- Слабое ядерное взаимодействие (ответственное за внутриатомные процессы и ядерный синтез);
- Сильное ядерное взаимодействие (обеспечивающее удержание кварков внутри протонов и нейтронов);
- Гравитационное взаимодействие.
Физическое сообщество работает над созданием единой «Теории всего», способной объединить эти силы. Благодаря работам Шелдона Глэшоу, Абдуса Салама и Стивена Вайнберга электромагнитное и слабое взаимодействия уже успешно объединены в теорию электрослабого взаимодействия. Переносчиками слабой силы выступают тяжелые $W$- и $Z$-бозоны. Они обладают массой, что существенно ограничивает радиус действия слабой силы субграничными масштабами, в то время как безмассовый фотон обеспечивает электромагнетизму бесконечный радиус действия.
За наделение $W$- и $Z$-бозонов массой отвечает механизм Хиггса. Клаудия де Рам выразила соболезнования в связи со смертью физика Питера Хиггса, скончавшегося в апреле 2024 года (на неделе проведения лекции), и продемонстрировала его памятное фото из архива физического факультета Имперского колледжа.
Открытие бозона Хиггса перевернуло представление об абсолютно пустом пространстве. Если убрать из лекционной аудитории всю мебель, людей и выкачать весь воздух, создав идеальный глубокий вакуум, это пространство все равно не будет пустым. Оно заполнено так называемой «квантовой ванной» — непрерывными квантовыми флуктуациями полей всех элементарных частиц, включая поле Хиггса. Безмассовые частицы, такие как фотоны, практически не взаимодействуют с этой ванной, тогда как массивные калибровочные бозоны вязнут в ней, из-за чего радиус действия слабой силы резко падает. Но поскольку гравитация, согласно принципу эквивалентности, связана со всем существующим, квантовая ванна Хиггса обязана оказывать влияние и на нее.
Если уменьшить интенсивность гравитационных волн до минимально возможного квантового предела, мы обнаружим, что они состоят из дискретных порций энергии — квантов гравитационного поля, именуемых гравитонами. В теории Эйнштейна гравитон безмассовый, как и фотон. Вероятность излучения или поглощения одиночного гравитона атомом при переходе электрона на другой энергетический уровень математически высчитывается как экстремально малая величина, поэтому экспериментально поймать один гравитон практически невозможно.
В обычных ускорителях, таких как Большой адронный коллайдер (LHC) в ЦЕРНе, физики сталкивают протоны, чтобы изучать квантовую вероятность различных исходов. Если провести мысленный эксперимент и столкнуть между собой два гравитона, используя уравнения Эйнштейна, расчеты будут оставаться стабильными до тех пор, пока энергия столкновения не достигнет критического верхнего предела — Планковского масштаба ($M_{pl}$). Планковская энергия на 15 порядков (в миллион миллиардов раз) превышает максимальные энергетические возможности, доступные на LHC. При достижении планковского порога уравнения общей теории относительности начинают выдавать математический абсурд:
- Вероятность наступления события превышает 100%;
- Появляются отрицательные значения вероятностей для альтернативных исходов.
Это наглядно доказывает, что на сверхмалых расстояниях и при колоссальных энергиях теория Эйнштейна перестает работать и требует замены.
🕳️ Путешествие в один конец: что происходит внутри черной дыры 34:09
Согласно формуле $E = mc^2$, экстремальная концентрация энергии эквивалентна огромной массе, которая, в свою очередь, порождает колоссальное искривление пространства-времени. Такие условия перестают быть абстракцией в астрофизических объектах — черных дырах. Их реальность подтверждена наблюдениями обсерватории Кека, которая на протяжении более 18 лет скрупулезно отслеживала орбиты звезд в центре нашей Галактики вокруг невидимого массивного центра. Позже Телескоп горизонта событий (EHT) зафиксировал радиосилуэт и искривление световых лучей вокруг сверхмассивной черной дыры, что полностью совпало с теоретическими моделями.
Если гипотетический космонавт приблизится к горизонту событий черной дыры, он столкнется с необратимыми физическими процессами. Из-за колоссальной разницы гравитационного притяжения между ногами и головой человека начнет растягивать в радиальном направлении и сжимать в поперечном (процесс спагеттификации). Пересечение горизонта событий означает гарантированную гибель для человека, но для физика-теоретика пространство за горизонтом — абсолютно легальная территория, где законы Эйнштейна все еще продолжают работать в штатном режиме.
Внутри горизонта событий пространственная и временная координаты математически меняются своими местами. Для сверхмассивной черной дыры в центре Галактики расстояние от горизонта до сингулярности составляет около 11 миллионов километров (что примерно в 30 раз превышает расстояние от Земли до Луны). Однако внутри горизонта этот отрезок превращается во временной интервал, равный примерно 40 секундам.
Центр черной дыры теперь находится не в пространстве, а в неизбежном будущем исследователя. По мере приближения к этой временной точке кривизна устремляется к бесконечности, энергия достигает планковских значений, и общая теория относительности окончательно ломается, оставляя финал истории неизвестным. Для описания сингулярности необходима новая теория — будь то теория струн, петлевая квантовая гравитация или причинные множества.
🌌 Величайший позор в истории науки: загадка космических пустот 40:10
Если на сверхмалых масштабах крах уравнений Эйнштейна ожидаем, то на противоположном конце спектра — на сверхбольших расстояниях в миллиарды километров — физики столкнулись с еще более масштабным кризисом. При изучении мегаструктуры Вселенной выяснилось, что скопления галактик распределены вдоль протяженных нитей (филаментов) темной материи. Наблюдения показывают, что Вселенная непрерывно расширяется: само пространство растягивается во всех направлениях.
Поскольку вся материя обладает гравитационным притяжением, физики резонно ожидали, что взаимное притяжение галактик и темной материи должно постепенно замедлять скорость космического расширения. Однако реальные астрономические данные конца ХХ века продемонстрировали противоположную картину: Вселенная расширяется с постоянным ускорением. Это одна из главных загадок современной науки.
Если переместиться в глубокий космический вакуум — в центр гигантской космической пустоты (войда), удаленной от любых галактик, пространство там все равно будет наполнено квантовой ванной флуктуаций. В отличие от точечных масс звезд, деформирующих пространство локально, эта квантовая энергия равномерно заполняет весь объем Вселенной с самого начала времен. Вместо локального искривления она оказывает глобальное расталкивающее давление на ткань пространства-времени, заставляя его расширяться ускоренно.
Сам Эйнштейн при создании общей теории относительности не знал ни о расширении Вселенной, ни о квантовой ванне полей. Если объединить уравнения Эйнштейна с расчетным объемом квантовой энергии вакуума, полученная теоретическая скорость расширения космоса окажется колоссальной. По словам Клаудии де Рам, расхождение между теорией и реальными астрономическими наблюдениями составляет катастрофические 28 порядков.
Исследовательница называет это «величайшим позором и самым глубоким разочарованием в истории современной науки», которое остается неразрешенным уже около века. Два незыблемых столпа физики — общая теория относительности и Стандартный метод квантовой физики — при совмещении дают колоссальную ошибку.
⛓️ Массивная гравитация: как поймать «призрака» на лестнице Пенроуза 47:57
Чтобы разрешить этот кризис, Клаудия де Рам предлагает радикальную гипотезу: возможно, гравитация не обладает бесконечным радиусом действия, и уравнения Эйнштейна просто не применимы на космологических расстояниях. В стандартной модели гравитон безмассовый, что заставляет две галактики на противоположных концах видимой Вселенной (на расстоянии условных 10 тысяч миллионов триллионов километров) притягивать друг друга. Но если ограничить радиус действия гравитации, ее влияние на огромных дистанциях исчезнет, что позволит примирить расчеты квантовой энергии вакуума с наблюдаемым ускорением.
Ограничить радиус действия силы можно одним путем — наделив квант-переносчик массой, по аналогии с тем, как механизм Хиггса ограничил слабую ядерную силу. Идея массивного гравитона рассматривалась физиками на протяжении века (среди авторов идеи были Вольфганг Паули и Абдус Салам), но неизменно отвергалась научным сообществом. Теория массивной гравитации считалась математически невозможной из-за неизбежного появления так называемых «призраков» (ghosts).
В теоретической физике «призрак» — это строгое научное обозначение состояния частицы с отрицательной энергией. Появление «призрака» в уравнениях означает, что вся Вселенная, атомы нашего тела и сама ткань пространства-времени должны мгновенно и катастрофически аннигилировать.
Клаудии де Рам совместно с коллегами Грегори Габададзе и Эндрю Толли удалось совершить математический прорыв и создать ловушку для этого деструктивного квантового состояния. Используя сложнейший математический аппарат, ученые создали концептуальный аналог невозможной азиатской лестницы или лестницы Пенроуза, внутри которой «призрак» оказывается запертым в ограниченном пространстве без возможности нанести вред стабильности уравнений.
Расчетная масса такого гипотетического гравитона должна быть ничтожно малой — она несопоставимо меньше массы легчайшего нейтрино. Проверить теорию массивной гравитации в будущем помогут космические гравитационные интерферометры следующего поколения, такие как лазерная космическая миссия LISA. Если гравитон обладает массой, то гравитационные волны разных частот (разных «цветов») будут распространяться в космическом пространстве с разной скоростью. Это приведет к характерному сжатию и дисперсии регистрируемого сигнала от слияния космических объектов.
По мнению Клаудии де Рам, гравитон, будучи самой неуловимой и «скромной» из всех фундаментальных частиц, благодаря миллиардам лет персистенции и коллективному действию колоссального числа своих копий, в конечном счете выступает главным архитектором эволюции Вселенной, создателем галактик и тем фактором, который определит финальную судьбу всего сущего.
