Игорь Иванов
Астрофизическая проверка эффектов квантовой гравитации
Один из самых впечатляющих примеров единства фундаментальных физических исследований — это когда астрофизика, изучающая явления на космических масштабах, помогает узнать что-то новое про свойства микромира. Физики уверены, что новые эффекты в микромире есть, просто они становятся сильными на таких малых масштабах, которые недоступны современным ускорителям. А на доступных прямому измерению масштабах, то есть вплоть до 10−19 м, они слишком слабы и поэтому пока остаются неоткрытыми. Однако есть два способа сделать эти эффекты более заметными: либо подождать очень долго — и тогда слабые эффекты накопятся за длительное время воздействия, — либо использовать частицы сверхвысоких энергий, для которых новые эффекты могут быть намного сильнее. И Вселенная дает нам обе эти возможности.
Рис. 1. Негладкая микроскопическая структура пространства может являться причиной нарушения лоренц-инвариантности; нарушение тем сильнее, чем больше энергия частиц. Из-за этого фотоны, рожденные одновременно в каком-то далеком космическом взрыве, могут лететь со слегка различающейся скоростью и попасть в детектор в разные моменты времени. Оказывается, этот эффект может еще приводить к эффективной «вязкости вакуума», которая тоже будет влиять на движение частиц. Рисунок из статьи: Ли Смолин, 2004. Атомы пространства и времени
Одна из самых интригующих возможностей тут — это проверка того, как вообще устроено само пространство на микроскопических масштабах. Для подавляющего большинства явлений пространство — или пространство-время, если речь идет про релятивистские явления — можно считать просто однородным вместилищем для всех частиц и полей, которое своих динамических характеристик не имеет. При описании явлений сильной гравитации нужно от этой картины отойти; в общей теории относительности пространство-время уже обладает динамической сущностью, может искривляться, растягиваться, колебаться. В рамках квантовой теории можно даже оперировать с квантами колебаний пространства-времени — гравитонами, — по крайней мере, пока их энергии невелики. Но во всех этих случаях пространство-время, в локальном смысле, все равно считается чем-то гладким, бесструктурным.
Однако на сверхмалых расстояниях, сопоставимых с планковской длиной LПл ~ 10−35 м, эффекты квантовой гравитации становятся настолько сильными, что эти описания перестают работать. На этих масштабах правильнее уже описывать мир в каких-то новых переменных со своими особыми физическими законами; а обычное гладкое пространство-время получается лишь в результате усреднения этих новых микроскопических переменных по относительно большой области. Пока что неизвестно, как построить правильную — то есть математически непротиворечивую, предсказательную, и при этом согласующуюся с реальностью — теорию пространства-времени-гравитации на таком масштабе, хотя, конечно усилия тут предпринимаются огромные. Однако ясно, что такое описание пространства будет существенно отличаться от простого «вместилища» для частиц. А это значит, что при движении частиц в пространстве возникнут новые эффекты, которые ни классической механикой, ни теорией относительности не предсказываются.
Теоретическому поиску таких эффектов в разных моделях и их экспериментальной проверке посвящено множество работ. Стандартное направление деятельности — это предсказание эффектов нарушения лоренц-инвариантности, той симметричности пространства мира, на которую опирается вся экспериментально проверенная физика. Нарушение лоренц-инвариантности может привести к тому, что фотоны или другие частицы сверхвысоких энергий будут двигаться со скоростью, отличающейся от обычной скорости света. Более того, это отличие зависит от энергии частицы. Поэтому если в каком-то очень далеком космическом взрыве одновременно родились фотоны разной энергии, то они, пройдя миллиарды световых лет со слегка различающейся скоростью, попадут к нам в детектор в разные моменты времени (см. рис. 1). Это один из примеров того, как астрофизические наблюдения могут рассказать о свойствах микромира. Кстати, когда три года назад появилось сенсационное сообщение коллаборации OPERA про якобы сверхсветовое движение нейтрино, эта область деятельность испытала резкий, но, правда, кратковременный подъем.
«Вязкость вакуума»
В статье, вышедшей на днях в журнале Physical Review Letters, обсуждается еще один наблюдательный эффект, к которому может приводить нарушение лоренц-инвариантности, — диссипация при движении частиц высокой энергии. Подчеркнем отдельно: диссипация при движении сквозь вакуум!
Аргументация авторов начинается с напоминания известного эффекта классической электродинамики. Если свет движется сквозь какую-то среду с дисперсией (то есть коэффициент преломления зависит от частоты света), то эта среда обязана обладать диссипацией — приводить к постепенному затуханию движущегося в ней света. Эта связь очень жесткая; она не требует информации о каких-то свойствах самой среды, а опирается на самые фундаментальные законы, например на причинность физических явлений (среда не может начать реагировать на свет до того, как свет в нее попал). Математическая формулировка этого закона описывается соотношениями Крамерса—Кронига.
Нечто аналогичное может происходить и в теориях с нарушенной лоренц-инвариантностью, в которых гладкое пространство является не первичным, а побочным, усредненным явлением. Несмотря на то что мы еще не знаем, какова на самом деле квантовая природа гравитации и как именно новые микроскопические степени свободы складываются в гладкое пространство, мы можем строить такие теории по аналогии с известными моделями классической физики, надеясь, что эти аналоги гравитации ухватят некую суть реальной ситуации. Такие параллели между гравитацией и другими физическими системами — вещь довольно распространенная, см. подробнейший научный обзор этой темы. Они особенно популярны при изучении черных дыр (см., например, новости Черные дыры из стали и пустоты и В бозе-эйнштейновском конденсате создали звуковую черную дыру, а также главу из книги Л. Сасскинда «Битва при черной дыре», рис. 2).
Рис. 2. Гидродинамическая аналогия черной дыры и горизонта событий. Если вода в пруду выливается через отверстие в дне с достаточно большой скоростью, то в воде будет существовать некоторая область, попав в которую головастик уже не сможет выбраться наружу. Рисунок из книги Л. Сасскинда «Битва при черной дыре»
Авторы статьи изучили, как при таком описательном подходе соотносятся друг с другом дисперсия и диссипация. Варианты получаются разные, но один из самых естественных — возникновение у вакуума некоторой вязкости. Эта вязкость может проявляться по-разному: частицы сверхвысокой энергии могут просто тормозиться при движении в вакууме, а могут вообще исчезать. Маленькое уточнение: так эти эффекты будут выглядеть в нашем, доступном физическим наблюдениям, мире. В полной же теории, в которой наряду с обычными частицами учитываются также и новые динамические степени свободы, никакого исчезновения энергии не происходит; обычная частица просто возбуждает недоступные наблюдению степени свободы.
Как и в случае отклонения скоростей от общепринятой скорости света, здесь предсказывается, что эффекты диссипации сильно заметны только для частиц недостижимо высокой энергии и сильно ослаблены для умеренно энергетичных частиц. Однако важно тут то, что это ослабление проявляется намного сильнее для дисперсии, чем для диссипации. При какой-нибудь умеренно большой энергии эффекты диссипации могут еще быть заметными, но дисперсия уже станет пренебрежимо малой. Поэтому открывается новая экспериментальная возможность — обнаружить нарушение лоренц-инвариантности не через непостоянство скорости частиц высокой энергии, как пытались до сих пор, а через обнаружение «вязкого трения вакуума».
Астрофизические наблюдения ни на какие подобные эффекты пока не указывают, ни в космических лучах сверхвысокой энергии, ни в спектре фотонов ТэВных энергий от далеких квазаров. Это позволяет наложить ограничение сверху на величину вязкости вакуума. Традиционно все величины, относящиеся к квантовым эффектам гравитации, выражают в естественных планковских единицах. Они строятся из фундаментальных физических констант: гравитационной постоянной G, скорости света c и постоянной Планка h или устоявшихся их комбинаций: планковской длины, планковского времени и т. п. Для кинематической вязкости, которая измеряется в квадратных метрах на секунду, естественной планковской единицей является LПл·c. Вычисления авторов показали, что по астрофизическим наблюдениям вязкость вакуума не может превышать примерно 10−30 от этой единицы, что более чем на 50 порядков меньше вязкости воздуха.
К сожалению, без конкретной квантовой теории гравитации это описательное ограничение нельзя просто так превратить в ограничение на физические свойства тех новых степеней свободы, из которых при усреднении складывается гладкое пространство. Но если какая-то теоретическая модель сможет сосчитать эту величину в рамках своих предположений, результаты данной статьи покажут, как эти предсказания связать с реальными наблюдениями.
Источник: Stefano Liberati and Luca Maccione. Astrophysical Constraints on Planck Scale Dissipative Phenomena // Physical Review Letters 112, 151301 (2014); статья также доступна как е-принт arXiv:1309.7296 [gr-qc].
Источник Элементы
Вселенная представляет собой квазикристалл-ферроэлектромагнетик, выращенный в газовой среде.
Гравитация — это некое действие. Любое действие проявляет себя в следствиях. Следствиями действия гравитации, в частности, являются — падение яблок на поверхность Земли, удержание Землёй Луны, удержание Земли — Солнцем.
Скажу, что разобраться в механизме действия гравитации в первых двух случаях — проблематично, особо — не разобравшись с третьим случаем.
А с третьим случаем вполне можно разобраться.
В этом случае, в третьем, имеет место быть движение Земли относительно Солнца.
Считается, что движение Земли относительно Солнца — это вращение.
Но так ли это?
Вращение — это круговое движение объекта, смысл этого — центры окружностей неких выделенных точек все до одного при вращении объекта — находятся на оси вращения.
Соответствует ли этому условию движение Земли относительно Солнца? Ответ — не соответствует.
Тогда вопрос — какой тип или вид движения у Земли?
Согласно данным о анизотропии микроволнового фонового излучения Солнце и солнечная система, Земля — движутся по направлению на созвездие Льва… — в пространстве Вселенной — в абсолютной системе отсчёта, скорость — под 400 км/сек; Солнце — по прямой, почти, Земля — по волне.
Рассмотрение этого движения показывает, что движение Солнца и Земли при этом — поступательное движение.
Это поступательное движение и необходимо объяснить.
И единственным объяснением такого может быть только следующее: Местную группу галактик, нашу галактику, Солнце, солнечную систему, Землю — движет движущаяся материальная субстанция — эфир.
Солнце при этом является препятствием свободному течению эфира, вокруг него образуется эфирный вихрь, он действует на Землю — по касательной к окружности в месте нахождения Земли.
А именно: когда Земля сзади Солнца поток эфира её разгоняет, как и солнечный эфирный вихрь, а когда Земля впереди Солнца, то она тормозится эфиром, а солнечный эфирный вихрь предопределяет движение Земли по волне.
Такой же эфирный вихрь есть и у Земли. Эфир обтекает Землю по кругу, и чем дальше от поверхности Земли, тем больше скорость эфира, а за счёт разности скоростей слоёв эфира обеспечивается приталкивание яблок к поверхности Земли.
Ну, Луна удерживается эфирным вихрем Земли также, как и Солнце удерживает около себя Землю.
Собственно — все опытные данные соответствуют приведённому объяснению. А так называемый закон всемирного тяготения, так называемую теорию относительности, гипотезу о чёрных дырах, большом прибамбахе, расвширяющейся Вселенной, бозоне Хиггса, реакции ядерного синтеза и прочее, противоречащее приведённому объяснению, положено — фтопку.