“Гравитация шмеля” может объяснить, почему Вселенная расширяется так быстро
Физики давно предполагали, что Вселенная практически одинакова в любом направлении, и теперь они нашли новый способ проверить эту гипотезу: исследуя тень черной дыры.
Если эта тень будет немного меньше, чем предсказывают существующие физические теории, это могло бы помочь доказать далеко идущее понятие, называемое гравитацией шмеля, которое описывает, что произойдет, если, казалось бы, идеальная симметрия Вселенной в конце концов не будет такой идеальной.
Если ученые смогут найти черную дыру с такой малоразмерной тенью, это откроет дверь к совершенно новому пониманию гравитации и, возможно, объяснит, почему Вселенная расширяется все быстрее.
Но чтобы понять, как эта идея шмеля могла летать, давайте углубимся в фундаментальную физику.
Глядя в зеркало
Физики любят симметрию; в конце концов, это помогает нам понять некоторые из самых глубоких секретов Вселенной. Например, физики поняли, что если вы проводите эксперимент по фундаментальной физике, вы можете переместить свое испытательное оборудование в другое место и снова получите тот же результат (то есть, если все другие факторы, такие как температура и сила тяжести, оставаться прежним).
Другими словами, независимо от того, где в космосе вы проводите свой эксперимент, вы получите один и тот же результат. С помощью математической логики это напрямую приводит к закону сохранения количества движения.
Другой пример: если вы запустите свой эксперимент и подождите некоторое время, прежде чем запускать его снова, вы получите тот же результат (опять же, при прочих равных). Эта временная симметрия напрямую ведет к закону сохранения энергии – энергия никогда не может быть создана или уничтожена.
Есть еще одна важная симметрия, которая составляет основу современной физики. Это называется «симметрией Лоренца» в честь Хендрика Лоренца, физика, который выяснил все это в начале 1900-х годов. Оказывается, вы можете взять свой эксперимент и повернуть его, и (при прочих равных) вы получите тот же результат. Вы также можете ускорить эксперимент до фиксированной скорости и при этом получить тот же результат.
Другими словами, при прочих равных – и да, я повторяю это часто, потому что это важно – если вы проводите эксперимент в полном покое и проводите тот же эксперимент на половине скорости света, вы получите тот же результат.
Это симметрия, которую обнаружил Лоренц: законы физики одинаковы независимо от положения, времени, ориентации и скорости.
Что мы получаем из этой фундаментальной симметрии? Ну, для начала, мы получаем всю специальную теорию относительности Эйнштейна, которая устанавливает постоянную скорость света и объясняет, как пространство и время связаны между собой для объектов, движущихся с разными скоростями.
Шмель гравитация
Специальная теория относительности настолько важна для физики, что это почти метатеория физики: если вы хотите придумать свое собственное представление о том, как работает Вселенная, она должна быть совместима с требованиями специальной теории относительности.
Или нет.
Физики постоянно пытаются придумать новые и улучшенные теории физики, потому что старые, такие как общая теория относительности, которая описывает, как материя искажает пространство-время, и Стандартная модель физики элементарных частиц, не могут объяснить все во Вселенной, например, что происходит. в центре черной дыры. И одно очень интересное место для поиска новой физики – это посмотреть, не могут ли какие-то заветные понятия быть такими точными в экстремальных условиях – такие заветные понятия, как симметрия Лоренца.
Некоторые модели гравитации утверждают, что Вселенная не совсем симметрична. Эти модели предсказывают, что во Вселенной есть дополнительные ингредиенты, которые заставляют ее не всегда точно подчиняться симметрии Лоренца. Другими словами, в космосе будет особое или привилегированное направление.
Эти новые модели описывают гипотезу, получившую название «гравитация шмеля». Он получил свое название от предполагаемой идеи, согласно которой ученые однажды заявили, что шмели не должны уметь летать, потому что мы не понимали, как их крылья создают подъемную силу. (Между прочим, ученые никогда в это не верили.) Мы не до конца понимаем, как работают эти модели гравитации и как они могут быть совместимы со вселенной, которую мы видим, и тем не менее, вот они, глядя нам в глаза, как жизнеспособные варианты новой физики.
Одно из наиболее эффективных применений моделей гравитации шмелей – это потенциальное объяснение темной энергии – явления, ответственного за наблюдаемое ускоренное расширение Вселенной. Оказывается, степень, в которой наша Вселенная нарушает симметрию Лоренца, может быть связана с эффектом, вызывающим ускоренное расширение. И поскольку мы понятия не имеем, что создает темную энергию, эта возможность действительно выглядит очень привлекательной.
Черная тень
Потребовалось восемь телескопов и более 200 астрономов, чтобы получить удивительное, невиданное ранее изображение далекой черной дыры. Темный круг в центре – тень черной дыры. (Изображение предоставлено: Сотрудничество с телескопами Event Horizon)
Итак, у вас есть модная новая теория гравитации, основанная на некоторых потрясающих идеях, таких как нарушение симметрии. Куда бы вы пошли, чтобы проверить эту идею? Вы бы отправились туда, где гравитация достигла абсолютного предела: в черную дыру. В новом исследовании, еще не прошедшем рецензирование и опубликованном в Интернете в ноябре 2020 года в базе данных препринтов. Исследователи сделали именно это, глядя на тень черной дыры в гипотетической вселенной, моделируемую так, чтобы она была максимально реалистичной.
(Помните то первое изображение черной дыры M87, полученное телескопом Event Horizon всего год назад? Эта навязчиво красивая темная пустота в центре яркого кольца на самом деле была «тенью» черной дыры, областью, которая втягивала в себя весь свет сзади и вокруг него.)
Чтобы сделать модель максимально реалистичной, команда поместила черную дыру на заднем плане Вселенной, которая ускорялась в своем расширении (точно так же, как мы наблюдаем), и настроила уровень нарушения симметрии в соответствии с поведением темной энергии, которое ученые мера.
Они обнаружили, что в этом случае тень от черной дыры может казаться на 10% меньше, чем в мире с «нормальной гравитацией», что дает четкий способ проверить гравитацию шмеля. Хотя текущее изображение черной дыры M87 слишком размыто, чтобы отличить его, предпринимаются попытки сделать еще более качественные снимки большего количества черных дыр, исследуя при этом некоторые из самых глубоких загадок Вселенной.
В нашем Telegram‑канале вы найдёте новости о непознанном, НЛО, мистике, научных открытиях, неизвестных исторических фактах. Подписывайтесь, чтобы ничего не пропустить.
