— Команда IceCube Collaboration была очень взволнована результатами на пресс-конференции в честь открытия, на которой сделали заявление, что это новый уровень многоканальной астрономии. Но по какой-то причине гравитационные волны остались в стороне, несмотря на то, что были заявлены в презентации. С чем это связано? И почему порой создается впечатление, что гравитация — своего рода изгой среди прочих методов изучения?

— Во-первых, это объявление было сделано физиками, изучающими элементарные частицы и обнаружившими нейтрино. В 2016 году мы впервые наблюдали гравитационные волны с помощью LIGO. Но у нас не было никаких дополнительных наблюдений вроде оптических или других традиционных методов. То есть мы могли зарегистрировать гравитационные волны, но они были тихими. Суть в том, что черные дыры сами по себе не излучают свет. Если нужно их увидеть, сделать это будет сложно, так как черные дыры буквально невидимы для обычного света.
У нас появилась возможность наблюдать столкновение двух нейтронных звезд. Нейтронные звезды — не черные дыры. Они состоят из нейтронов, которые начинают светиться, производят излучение при столкновении друг с другом. Нам удалось наблюдать это излучение от слияния двух нейтронных звезд. И с точки зрения гравитационных волн это была стопроцентная многоканальная астрономия. Это открытие, связанное с блазаром, — многоканальная астрономия с точки зрения нейтрино. Все эти и другие способы наблюдения за Вселенной актуальны. Суть в том, что они будут применяться при различных обстоятельствах. Будут происходить события в небе, которые можно наблюдать гравитационно, но без нейтрино или фотонов. Будут события в небе, которые можно наблюдать при помощи нейтрино, но не фотонов — и так далее.
Тот день, когда мы сможем совместить все три способа — нейтрино, гравитационные волны и фотоны, — станет поистине чудесным. Более того, удивительно просто увидеть вместе гравитационные волны и нейтрино. Но открытие, связанное с нейтрино из блазара, не было столь интенсивным в гравитационном контексте — это просто материя, упавшая в черную дыру. Черная дыра находится там и на нее это не влияет: это большая черная дыра, в нее падает немного материи, из-за которой выделяются свет и нейтрино, но очень мало гравитационных волн. Так что для наблюдения гравитационных волн вам нужна нейтронная звезда, падающая в черную дыру, или две нейтронных звезды, падающих друг на друга, — что-то в этом роде, в нужном месте, при определенных обстоятельствах. Может быть, взрыв сверхновой. Технологии и телескопы развиваются, поэтому мы надеемся, что нам удастся наблюдать такие события.


— Спасибо, что прояснили этот момент. К слову о LIGO и работе этого эксперимента. Общая теория относительности гласит, что для наблюдателя объект, пересекающий горизонт событий, навечно застывает во времени на самой его границе, пока в итоге не исчезнет из-за красного смещения. LIGO зарегистрировал слияние двух черных дыр. Как мы можем наблюдать такое событие, если с точки зрения наблюдателя в черную дыру ничего не падает?

— Мы думаем о черной дыре как об области пространства с горизонтом событий и так далее. Простое определение черной дыры такое: как только вы пересечете горизонт событий, уже не сможете из него выбраться. Это как улица с односторонним движением. Если так думать о черной дыре, то начинаешь себя спрашивать, как вообще можно что-то узнать о черных дырах, если из них ничего не выходит? Дело в том, что снаружи черной дыры — гравитационное поле и, вполне вероятно, даже магнитное поле. Снаружи черной дыры есть нечто, что мы можем видеть. И когда гравитационное поле изменяется, мы это тоже видим. При слиянии двух черных дыр они искажаются, растягивают друг друга по мере сближения и испускают гравитационные волны. То есть в контексте черной дыры следует думать не только о горизонте событий и о том, что внутри нее, но и об окружающем гравитационном поле. Именно эта часть создает наблюдаемые эффекты, которые мы можем измерить с помощью телескопов.

— Это проясняет очень многое. Но давайте вернемся к квантовой механике. В 2018 году, в ходе эксперимента ATLAS в ЦЕРН объявили о распаде бозона Хиггса на b-кварки. Что это означает для современной науки?

— Тем самым мы больше узнаем о Стандартной модели физики элементарных частиц. Звучит скучновато: Стандартная модель физики частиц — но ее собирали по частям в течение десятилетий, и сейчас мы наконец-то ее понимаем. А бозон Хиггса, обнаруженный в 2012 году, стал последней ее деталью. Любые новые частицы, которые мы откроем, будут выходить за рамки Стандартной модели. Пока мы не находили частиц, которые бы действительно не были ее частью. Однако нам еще нужно расставить все по своим местам – в соответствии с пониманием всех деталей Стандартной модели. Частиц очень много: есть шесть видов кварков — частиц сильного взаимодействия, — из которых состоят протоны и нейтроны; есть шесть видов лептонов, они более легкие и быстродвижущиеся частицы вроде нейтрино и электронов, есть еще бозон Хиггса, а также все частицы, переносящие силы, такие как фотоны, глюоны и W- и Z-бозоны.


Все эти частицы интересно взаимодействуют друг с другом. Фотоны взаимодействуют через электромагнитную силу — тут все довольно просто и понятно. Бозон Хиггса взаимодействует по-разному с каждой из частиц Стандартной модели. Но мы хотели бы увидеть, как эти частицы распадаются друг на друга, как они друг друга производят, как они разбиваются на две разные частицы и так далее. Все это часть Стандартной модели, и если вдруг какая-то из них не подойдет, если какие-то измерения будут несовместимы с другими проведенным измерениями, это будет признаком новой физики, чего-то сверх Стандартной модели.


Проверка всех предсказаний Стандартной модели всеми возможными способами — важная работа. Пока все результаты примерно такие: «Да, все верно! Это то, что предсказывает Стандартная модель!» То есть это не изменит историю, но это очень важно для того, чтобы удостовериться, что мы на верном пути.

— Еще один вопрос относительно квантовой механики. Мэтью Лейфер из Чемпенского университета и Мэтью Пьюзи из Института теоретической физики «Периметр» предложили теорию ретропричинности, основанную на квантовой запутанности, утверждая, что измерение частицы в настоящем влияет на свойства частицы-партнера в прошлом. Что вы думаете об этом?

— Я рад, что они этим занимаются. Как я уже сказал ранее, мы не всегда совпадаем во мнении относительно фундаментальной природы того, о чем нам говорит квантовая механика. Существуют разные альтернативы, мы их одинаково уважаем, но в физическом сообществе мы пока не пришли к единому мнению о том, какая из них верна. Я придерживаюсь многомировой интерпретации квантовой механики. Не утверждаю, что она абсолютно верна, но считаю, что эта версия – одна из наиболее правдоподобных. Если появятся какие-то доказательства в пользу других версий, поменяю свое мнение. Мэтью (Лейфер) считает, что многомировая интерпретация неверна, он ищет что-то более близкое к эпистемической версии квантовой механики, которая говорит о том, что волновая функция (которую я считаю реальностью) — лишь способ суммирования нашего знания о реальности, поэтому должно быть что-то другое, являющееся реальностью.
Он считает, что волновая функция — просто возможность определения вероятностей получения различных экспериментальных результатов. Программа эпистемического подхода к квантовой механике сложна. Люди, занимающиеся физикой частиц, проводящие вычисления на Большом адронном коллайдере, связанные с бозонами Хиггса и верхними кварками, — они не думают об этом в контексте ретропричинности и эпистемических волновых функций, они считают волновую функцию реальным явлением и проводят вычисления ради правильного ответа.


Лично для меня тот факт, что кто-то размышляет о ретропричинности, распространении информации обратно во времени, — показатель того, что этим можно заниматься. Не думаю, что есть основания полагать, что это может быть процессом, происходящим в природе. Я считаю, что существуют более простые объяснения всему тому, что мы можем наблюдать и с чем можем экспериментировать.

— Наши читатели прислали нам множество вопросов, когда мы объявили об интервью с вами. Мы отобрали несколько самых интересных из них. Первый: существуют ли какие-то исследования или теории в области поглощения темной материи черными дырами и того, как карта ее распределения изменяется по крупномасштабной структуре? Будет ли она самопроизвольно скатываться в черные дыры за счет гравитации?

— Темная материя, безусловно, может падать в черные дыры. В современной Вселенной черные дыры очень малы по сравнению со всем пространством. Возможность того, что отдельная частица темной материи, блуждающая по Вселенной, внезапно упадет в черную дыру, крайне мала. В космосе не так много черных дыр. Обычная материя может падать в черные дыры из-за своего взаимодействия — она испускает свет и тепло, рассеивается и также может потерять энергию и упасть в черную дыру. Частица же темной материи просто пролетит мимо. Для того чтобы темная материя упала в черную дыру, ей необходимо столкнуться с ней напрямую, тогда как частица темной материи может на протяжении многих лет падать в нее по спирали.

— Вы называете свой атеизм «поэтическим натурализмом». Расскажите об этом подробнее. В чем особенность вашего мировоззрения?

— Я не считаю его особенным. Более того, я не оригинален в использовании этого «ярлыка». То есть сам ярлык оригинален, но не идея. Натурализм — идея о том, что мир естественен, подчиняется законам физики, которые мы можем обнаружить в научных экспериментах, но у Вселенной нет дополнительной, сверхъестественной и нематериальной части. «Поэтический» означает, что есть множество способов говорить о Вселенной. Мы можем рассуждать о ней на языке фундаментальной физики или же на языке биологии и химии, которые очень отличаются, но должны совмещаться с языком физики. И мы можем разговаривать о ней на языках из категории эстетики и морали, дискутировать о том, что правильно и неправильно — на языке красоты и удовольствия. И все это, опять же, должно совмещаться с другими словарями, но может не определяться ими. Может появиться какое-то суждение извне, когда мы говорим о том, что, например, хорошо или плохо.

— В работе «Спонтанная инфляция и происхождение стрелы времени» вы утверждаете, что инфляции могут происходить и назад во времени. Можем ли мы регистрировать или как-то ощущать такие феномены в реальности?

— Я написал книгу «Вечность» (в оригинале — From Eternity to Here. — Прим. авт.), в которой рассказываю именно об этом. Опять же, это очень спекулятивный сценарий в духе Мультивселенной, об истинности или ошибочности которого мы не можем узнать, но, вероятно, со временем улучшим наши навыки, разовьем теории – и в один день сможем это сделать. Я пытался объяснить несбалансированность Вселенной. Прошлое отличается от будущего. Почему? Ответ тут заключается в том, что с течением времени могут появляться новые вселенные из-за случайных квантовых флуктуаций: если отщипнуть кусок пространства и оставить его, он станет отдельным, отсоединенным кусочком пространства. И это может происходить в обоих направлениях времени, так что с течением времени Вселенная создает все больше и больше вселенных-малышей, которые в итоге вырастают в свои собственные вселенные. Если отмотать время назад — до периода, предшествовавшего Большому взрыву, — получится, что уже тогда рождались вселенные, но иным путем.


Мы не сможем этого увидеть, так как есть определенная вероятность того, что это квантовое событие произойдет и создаст новую Вселенную, — но она мала. Единственная причина, по которой эта идея может быть уместной, — бесконечно огромные размеры пространства-времени. Вселенная будет существовать вечно, так что в итоге произойдут даже совсем маловероятные вещи. Мы этого точно не дождемся. Но можем попробовать осуществить это в лаборатории и далее задаваться вопросом о том, сходится ли логически этот сценарий со Вселенной, которую мы наблюдаем.

— Пространство расширяется? Или это просто бесконечная координата?

— Думаю, это вопрос языка, посредством которого мы рассуждаем о расширении пространства в сравнении с использованием координат. Если вы непременно хотите использовать язык, в котором пространство не расширяется, тогда для соответствия данных придется говорить на языке, в котором материя сокращается и каждый атом во Вселенной уменьшается с одинаковой скоростью. Правильно ли это? Конечно, вы можете делать все что угодно. Но это крайне неэффективный способ рассуждать о том, что происходит во Вселенной. Проще сказать, что пространство действительно расширяется.

— Какие последствия несет открытие несимметричных грушевидных ядер для темной энергии, темной материи и энтропии?

— Если вкратце, никаких. Связано это вот с чем: когда вы говорите о направлении времени, отличиях прошлого от будущего, это может проявиться разными способами. Когда я говорю о стреле времени, то действительно говорю о том, что энтропия была ниже, а Вселенная — более упорядочена: вы можете разбить яйцо, но не можете обратить это вспять и так далее. Важная частью этого всего — необратимость: когда вы разбиваете яйцо, не способны собрать его обратно. Не важно, каково направление, важна направленность.
В физике частиц есть так называемая симметрия по отношению к обращению времени, утверждающая, что я могу взять эксперимент и провести его в направлении вперед во времени, а затем в обратном направлении, назад во времени, и он будет выглядеть идентично. Эта симметрия нарушается квантовой механикой, Стандартной моделью физики частиц. Это нарушение тестируется разными способами, включая формы атомов, их магнитные поля и тому подобное. Это все взаимосвязано, и существуют различные теоремы, связывающие обращение времени с изменением пространственного направления и так далее, и тому подобное.
Ничего из этого не имеет отношения к стреле времени. Даже если симметрия по отношению к обращению времени нарушается, это все равно обратимый процесс. События могут происходить в одном направлении или в другом, и то, как происходит одно, отличается от другого. Это не поможет вам получить видимую стрелу времени термодинамического типа, которую мы хотим объяснить космологически.

— Хорошо. Еще вопрос. Какой ваш любимый научно-фантастический фильм?

— Знаете, у меня много любимых фильмов, я фанат научной фантастики. Не знаю, считается ли это, но скажу, что мой любимый научно-фантастический фильм — «Бразилия» Терри Гиллиама об антиутопическом будущем. Он невеселый, но очень хороший.Источник: Nacked Science