|
Гравитационные волны и геометрия пространства-времени
|
|
|
|
Говоря о нашей Вселенной, часто говорят, что "материя указывает пространству-времени, как изгибаться, а искривленное пространство-время указывает материи, как двигаться". В этом суть знаменитой общей теории относительности Альберта Эйнштейна, которая описывает, как планеты, звезды и галактики движутся и влияют на пространство вокруг них. Хотя общая теория относительности отражает большую часть большого в нашей Вселенной, она противоречит малому в физике, описываемому квантовой механикой. В своем докторском исследовании Сьорс Хифер исследовал гравитацию в нашей Вселенной, и его исследование имеет значение для захватывающей области гравитационных волн и, возможно, повлияет на то, как в будущем можно будет согласовать большое и малое в физике. Чуть более ста лет назад Альберт Эйнштейн произвел революцию в нашем понимании гравитации своей общей теорией относительности.
|
|
|
|
"Согласно теории Эйнштейна, гравитация - это не сила, а возникает из-за геометрии четырехмерного пространственно-временного континуума, или сокращенно пространства-времени", - говорит Хифер. "И она играет центральную роль в возникновении таких удивительных явлений в нашей Вселенной, как гравитационные волны". Массивные объекты, такие как солнце или галактики, искривляют пространство—время вокруг себя, а другие объекты затем движутся по максимально прямым траекториям — иначе известным как геодезические - через это искривленное пространство-время. Однако из-за кривизны эти геодезические линии вообще не являются прямыми в обычном смысле этого слова. Например, в случае планет Солнечной системы они описывают эллиптические орбиты вокруг Солнца. Таким образом, общая теория относительности изящно объясняет движение планет, а также множество других гравитационных явлений, начиная от повседневных ситуаций и заканчивая черными дырами и Большим взрывом. Как таковая, она остается краеугольным камнем современной физики.
|
|
|
Хотя общая теория относительности описывает множество астрофизических явлений, она вступает в противоречие с другой фундаментальной теорией физики — квантовой механикой. "Квантовая механика предполагает, что частицы (такие как электроны или мюоны) существуют в нескольких состояниях одновременно, пока их не измерят или не будут наблюдать", - говорит Хифер. "После измерения они случайным образом выбирают состояние из-за таинственного эффекта, называемого "коллапсом волновой функции"". В квантовой механике волновая функция - это математическое выражение, описывающее положение и состояние частицы, такой как электрон. Квадрат волновой функции позволяет получить набор вероятностей того, где может находиться частица. Чем больше квадрат волновой функции в определенном месте, тем выше вероятность того, что частица будет обнаружена в этом месте после наблюдения.
|
|
|
|
"Вся материя в нашей Вселенной, по-видимому, подчиняется странным вероятностным законам квантовой механики", - отмечает Хифер. "И то же самое верно для всех сил природы, за исключением гравитации. Это несоответствие приводит к глубоким философским и математическим парадоксам, и их разрешение является одной из основных задач современной фундаментальной физики." Одним из подходов к разрешению противоречий между общей теорией относительности и квантовой механикой является расширение математической базы, лежащей в основе общей теории относительности. С точки зрения математики, общая теория относительности основана на псевдоримановой геометрии, которая представляет собой математический язык, способный описать большинство типичных форм, которые может принимать пространство-время.
|
|
|
|
"Однако недавние открытия указывают на то, что пространство-время нашей вселенной может находиться за пределами псевдоримановой геометрии и может быть описано только с помощью финслеровой геометрии, более продвинутого математического языка", - говорит Хифер. Уравнения поля Чтобы исследовать возможности финслеровой гравитации, Хиферу нужно было проанализировать и решить определенное уравнение поля. Физики любят описывать все в природе в терминах полей. В физике поле - это просто нечто, имеющее значение в каждой точке пространства и времени. Простым примером может служить, например, температура; в любой данный момент времени каждая точка пространства имеет определенную температуру, связанную с ней. Немного более сложным примером является электромагнитное поле. В любой данный момент времени величина электромагнитного поля в определенной точке пространства указывает нам направление и величину электромагнитной силы, которую испытала бы заряженная частица, например электрон, если бы она находилась в этой точке.
|
|
|
|
Что касается геометрии самого пространства-времени, то она также описывается полем, а именно гравитационным полем. Величина этого поля в определенной точке пространства-времени говорит нам о кривизне пространства-времени в этой точке, и именно эта кривизна проявляется как гравитация. Хифер обратился к уравнению вакуумного поля Кристиана Пфайфера и Маттиаса Н. Р. Вольфарта, которое является уравнением, управляющим этим гравитационным полем в пустом пространстве. Другими словами, это уравнение описывает возможные формы, которые могла бы принимать геометрия пространства-времени в отсутствие материи. Хифер объясняет: "В хорошем приближении это включает все межзвездное пространство между звездами и галактиками, а также пустое пространство, окружающее такие объекты, как Солнце и Земля. В результате тщательного анализа уравнения поля было выявлено несколько новых типов пространственно-временных геометрий".
|
|
|
|
Одно особенно захватывающее открытие из работы Хифера касается класса геометрий пространства—времени, которые представляют собой гравитационные волны - рябь в ткани пространства-времени, распространяющуюся со скоростью света и, например, способную быть вызванной столкновением нейтронных звезд или черных дыр. Первое прямое обнаружение гравитационных волн 14 сентября 2015 года ознаменовало начало новой эры в астрономии, позволив ученым исследовать Вселенную совершенно по-новому. С тех пор было проведено множество наблюдений гравитационных волн. Исследования Хифера показывают, что все они согласуются с гипотезой о том, что наше пространство-время имеет финслеровскую природу. Хотя результаты Хифера многообещающи, они лишь поверхностно отражают следствия уравнения поля финслеровой гравитации. "Эта область все еще молода, и дальнейшие исследования в этом направлении активно продолжаются", - говорит Хифер. "Я с оптимизмом смотрю на то, что наши результаты помогут углубить наше понимание гравитации, и я надеюсь, что, в конечном счете, они могут даже пролить свет на согласование гравитации с квантовой механикой".
|
|
|
|
Источник
|
