​Более двух веков после открытия Исааком Ньютоном закона всемирного тяготения природа тяготения не сильно волновала ученых. Сам Исаак Ньютон, заключая свой magnum opus «Математические начала натуральной философии» (1687), откровенно признавал: «До сих пор я изъяснял небесные явления и приливы наших морей на основании силы тяготения, но я не указывал причины самого тяготения. Причину же этих свойств силы тяготения я до сих пор не мог вывести из явлений, гипотез же я не измышляю. Довольно того, что тяготение на самом деле существует, действует согласно изложенным нами законам и вполне достаточно для объяснения всех движений небесных тел и моря».

Очередную революцию в познании совершил Альберт Эйнштейн, сформулировав общую теорию относительности (ОТО), в которой в единый континуум объединялись пространство и время. «Ткань» пространственно-временного континуума искривляется под действием масс астрономических объектов, таких как наше Солнце, например. Эти массы рассеивают идущие от далеких звезд лучи света. В результате возникают так называемые гравитационные линзы, изгибающие свет от «сокрытых» Солнцем звезд.

В ОТО также постулировалось возникновение гравитационных волн, распространение которых объясняет природу тяготения. Оно порождает «складки» (ripples) поверхности пространства-времени. (В русской научной литературе принято несколько другое название термина – «рябь пространства-времени».) #Гравитация #Наука

​Век спустя после Эйнштейна гигантские лазерные интерферометры, фиксирующие изменение длины луча под воздействием проходящих гравитационных волн (LIGO-обсерватории), позволили экспериментально доказать существование ряби пространства-времени. Первые гравитационные волны были уловлены от слияния двух небольших черных дыр с массами в десятки солнечных. Но каковы масштабы волн, приходящих к Земле от далеких сверхмассивных дыр с массами в миллионы и даже миллиарды солнечных?! Достаточно сказать, что длины этих волн исчисляются километрами, поэтому никакие лазерные обсерватории на них просто не среагируют.

Английская исследовательница Джоселин Белл в 1967 году с помощью созданного ею примитивного радиотелескопа (в поле были воткнуты сотни штакетин, на которые была натянута списанная в соседней военной базе колючая проволока) смогла уловить сигналы космического микроволнового фона. Оказалось, что фон этот неравномерен. Его анизотропия и позволяет говорить о случившемся примерно 13,5 млрд лет назад Большом взрыве (Big Bang). Первые мгновения после Big Bang – это эпоха господства кварк-глюонной плазмы. Охлаждаясь, она порождает протоны и нейтроны. Из них образовались атомные ядра, вокруг которых «завертелись» электронные облака.

Из скоплений космических газов и пыли сформировались звезды. В конечном счете в результате термоядерной реакции в своих недрах звезды растрачивают водород и развивается коллапс-схлопывание оставшейся массы под воздействием сил гравитации. Если масса приличная, то формируется черная дыра. #Гравитация #Наука

​Другой сценарий – электроны просто «вдавливаются» в ядра и возникает нейтронная звезда. Из-за своего малого размера такая звезда вращается с гигантской скоростью. В пространство срываются струи (джеты), удерживаемые мощными магнитными полями. А там, где магнит, там генерируемый и электронный ток. Возбуждение электронов порождает не только свет, но и значительно более длинные волны, в том числе и радио. Их-то и зафиксировала Джоселин Белл, сделав эпохальное открытие поразительно периодичных и постоянных сигналов в 24 года (подобно сердечному пульсу).

Такие источники радиоимпульсов назвали пульсарами. И за ними, в частности, ведет тщательное наблюдение самый большой в мире 500-метровый радиотелескоп «быстрый» FAST (Five-hundred-meter Aperture Spherical Telescope – «Сферический телескоп с 500-метровой апертурой»), установленный в 2016 году в горах на юге Китая. FAST управляется университетскими астрономами Пекина и входит в консорциум NANOG – так кельты называли волшебный остров вечной юности, – или Северо-Американскую наногерцовую обсерваторию гравитационных волн. #Гравитация #Наука

​Университеты, входящие в консорциум, вели совместные наблюдения за 67 пульсарами, а также несколькими двойными звездами. Длительность исследований у некоторых исследовательских групп достигает 15 лет. Результаты были изложены в серии статей в недавних выпусках журнала Astrophysical J. Letters. Авторы склоняются к модели корреляции-сходства активности пульсаров по сравнению с их случайным шумом.

В комментарии в другом журнале, Nature, отмечается, что с 2015 года американские гравитационные детекторы в штатах Луизиана и Вашингтон уловили гравитационные волны от десятков событий, связанных со слиянием черных дыр. Но обсуждение в статьях касается возможного распространения «комбинированных» радиоволн тысяч пар сверхмассивных черных дыр (SMBH). И если это так, то впервые можно говорить о таких бинарах в глубинах космоса. Более точно можно будет говорить после выведения в 2030 году на орбиту Земли гравитационной обсерватории LISA (Laser Interferometer Space Antenna), которое планируется Европейским космическим агентством (ESA). Его сотрудники полагают, что разрешение антенны позволит увидеть отдельные бинары SMBH, расположенные достаточно близко к Млечному пути. А значит, и достаточно «громкие» с точки зрения генерации волн – как радио-, так и гравитационных.

Найти изолированные источники гравитационных волн – это гарантированная Нобелевская премия, считают ученые. При этом нельзя сбрасывать со счетов и возможный остаточный гравитационный «шум» от Большого взрыва. Это будет игра вдолгую, потому что новые телескопы только-только начали приоткрывать небольшое окошко во Вселенную, про которую мы знаем лишь чуточку больше, чем александрийский Птолемей. А открыть его шире, возможно, помогут философы – если разберутся в астрофизике… #Гравитация #Наука

​Как примирить два противоречивых столпа современной физики: квантовую теорию и гравитацию? Долгое время ученые считали, что рано или поздно наука признает ту или иную теорию господствующей, однако реальность как всегда оказалась намного интереснее. Некоторые исследования утверждают, что гравитация может возникать из-за случайных флуктуаций на квантовом уровне.

Среди двух фундаментальных теорий, объясняющих окружающую нас реальность, квантовая теория апеллирует к взаимодействию между наименьшими частицами материи, а общая теория относительности обращается к гравитации и крупнейшим структурам во всей Вселенной. Со времен Эйнштейна физики пытались преодолеть разрыв между этими учениями, но с переменным успехом.

Один из способов согласования гравитации с квантовой механикой заключался в том, чтобы показать, что в основе гравитации лежат неделимые частицы материи, кванты. Этот принцип можно сравнить с тем, как сами кванты света, фотоны, представляют собой электромагнитную волну. До сих пор у ученых не было достаточно данных, чтобы подтвердить это предположение, однако в 2017 году Антуан Тиллой (Antoine Tilloy) из Института квантовой оптики им. Макса Планка в Гархинге, Германия, попытался описать гравитацию принципами квантовой механики. Но как ему это удалось? #Гравитация #Наука

​Квантовый мир. В квантовой теории состояние частицы описывается ее волновой функцией. Она, к примеру, позволяет рассчитать вероятность нахождения частицы в той или иной точке пространства. Перед самим измерением неясно не только то, где находится частица, но и то, существует ли она. Сам факт измерения буквально создает реальность, «разрушая» волновую функцию. Но квантовая механика редко обращается к измерениям — потому-то она и является одной из самых спорных областей физики. Вспомните парадокс Шредингера: вы не сможете разрешить его, пока не произведете измерение, открыв коробку и выяснив, жив кот или нет.

Одним из решений подобных парадоксов является так называемая модель GRW, которая была разработана в конце 1980-х годов. Эта теория включает в себя такое явление, как «вспышки» — спонтанные коллапсы волновой функции квантовых систем. Результат ее применения точно такой же, как если бы измерения были проведены без наблюдателей как таковых. Тиллой модифицировал ее, чтобы показать, как с ее помощью можно выйти на теорию гравитации. В его варианте вспышка, разрушающая волновую функцию и заставляющую частицу тем самым находиться в одном месте, также создает гравитационное поле в этот момент в пространстве-времени. Чем больше квантовая система — тем больше в ней частиц и тем чаще случаются вспышки, создавая тем самым флуктуирующее гравитационное поле.

Самое интересное, что среднее значение этих флуктуаций и является тем самым гравитационным полем, которое описывает теория гравитации Ньютона. Такой подход к объединению гравитации с квантовой механикой называется квазиклассическим: гравитация возникает из квантовых процессов, но остается классической силой. «Нет никакой реальной причины игнорировать квазиклассический подход, при котором гравитация является классической на фундаментальном уровне», говорит Тиллой. #Гравитация #Наука

​Клаус Хорнбергер из Университета Дуйсбург-Эссен в Германии, не принимавший участия в разработке теории, относится к ней с большой симпатией. Однако ученый указывает на то, что до того, как эта концепция ляжет в основу единой теории, объединяющей и объясняющей природу всех фундаментальных аспектов окружающего нас мира, необходимо будет решить еще целый ряд задач. К примеру, модель Тиллоя точно может быть использована для получения ньютоновской силы тяжести, а вот ее соответствие гравитационной теории еще нужно проверить с помощью математики.

Впрочем, ученый и сам согласен с тем, что его теория нуждается в доказательной базе. К примеру, он предсказывает, что гравитация будет вести себя по-разному в зависимости от масштабов рассматриваемых объектов: для атомов и для сверхмассивных черных дыр правила могут сильно отличаться. Как бы то ни было, если тесты обнаружат, что модель Тиллроя и в самом деле отражает реальность, а гравитация и в самом деле является следствием квантовых флуктуаций, то это позволит физикам осмыслить окружающую нас действительность на качественно ином уровне. #Гравитация #Наука