Согласно новой теории, в ранней Вселенной именно гравитация могла создавать свет. «Хайтек» рассказывает главное о новом исследовании.
Исследовательская группа физиков обнаружила, что гравитация может превратиться в свет, но только если пространство-время «ведет себя правильно».
Что такое Стандартная модель и как она работает?
Стандартная модель — это современная теория строения и взаимодействий элементарных частиц, многократно проверенная экспериментально. Сама теория базируется на очень небольшом количестве постулатов и позволяет теоретически предсказывать свойства тысяч различных процессов в мире элементарных частиц. Современная формулировка была завершена в 2000-е годы после экспериментального подтверждения существования кварков. Она была предложена тремя учеными и содержит, в частности, объяснения возникновения массы элементарных частиц в рамках механизма спонтанного нарушения симметрии, предложенного Хиггсом.
Особенность модели, которая «меняет правила игры»
Одна из ее особенностей в том, что она обычно запрещает превращение безмассовых частиц в массивные. В то время как частицы в Стандартной модели постоянно превращаются друг в друга посредством различных реакций и процессов, фотон — безмассовый носитель света — «остается самим собой». Но, если условия подходящие, это возможно (например, когда он взаимодействует с тяжелым атомом), он может спонтанно разделиться и стать электроном и позитроном, которые являются массивными частицами.
Концепция гравитации и черной дыры. Фото: ru.freepik.com
Эта идея вдохновила авторов нового исследования. Они хотели понять, может ли сама гравитация превращаться в другие частицы.
Проверка идеи
Да, обычно гравитацию рассматривают в контексте общей теории относительности, согласно которой изгибы и искривления пространства-времени влияют на движение частиц. В таком случае очень сложно представить, как она может создавать частицы. Хитрость в том, что гравитацию можно рассматривать через квантовую оптику. Например, представляя ее как силу, переносимую гравитонами. Хотя современная картина квантовой гравитации далека от завершения, известно, что эти бесчисленные невидимые частицы будут вести себя как любые другие фундаментальные частицы, включая потенциально трансформирующиеся.
Чтобы проверить эту идею, физики изучили условия очень ранней Вселенной — маленькой, горячей и плотной. Там все формы материи и энергии были увеличены до невообразимых масштабов, намного больших, чем способны достичь даже наши самые мощные коллайдеры частиц.
Ученые обнаружили, что в такой концепции важную роль играют гравитационные волны — рябь в ткани пространства-времени, порожденная столкновениями между самыми массивными космическими объектами. Обычно они очень слабы и способны подтолкнуть атом на расстояние, меньшее, чем ширина его собственного ядра. (Ранее «Хайтек» писал о том, что гравитация — самая слабая из основных четырех сил). Но в ранней Вселенной волны могли быть намного сильнее, и это могло серьезно повлиять на все процессы и материю.
Впечатление художника от гравитационных волн. Изображение предоставлено Р. Хёртом/Caltech-JPL
«Эти ранние волны плескались бы туда-сюда, усиливаясь от раза к разу, — объясняет Пол Саттер, профессор-исследователь в области астрофизики в Университете Стоуни-Брук SUNY и Институте Флэтайрон в Нью-Йорке, который не участвовал в исследовании. — Все остальное во Вселенной было бы захвачено толчком и притяжением волн, что привело бы к эффекту резонанса. Гравитационные волны действовали бы как насос, снова и снова сбивая материю в плотные комки».
На что способны гравитационные волны?
Гравитационные волны также могут влиять на электромагнитное поле. Поскольку они представляют собой рябь в самом пространстве-времени, волны не ограничиваются взаимодействием с массивными объектами. По мере того, как они продолжают накачиваться, излучение во Вселенной достигает чрезвычайно высоких энергий. Это в итоге вызывает спонтанное появление фотонов: гравитация сама по себе порождает свет.
К чему пришли ученые?
Исследователи обнаружили, что в целом этот процесс довольно неэффективен. Ранняя Вселенная расширялась, поэтому стандартные модели гравитационных волн не могли существовать долго. Тем не менее, физики заявили: если бы ранняя Вселенная содержала достаточно материи, чтобы скорость света уменьшилась (так же, как свет движется медленнее в воздухе или воде), волны задерживались бы достаточно долго, чтобы генерировать потоки дополнительных фотонов.
Почему новое исследование так важно?
Физики еще не до конца понимают сложную, запутанную физику космического рассвета. Однако если теория ученых верна, то свет, созданный гравитацией, предположительно, будет влиять на формирование материи и эволюцию Вселенной. Именно поэтому изучение всех последствий этого удивительного процесса приведет к революции в нашем понимании самых ранних моментов нашего мира.
Источник: hightech.fm
