Дослідницька група виявила, що гравітація може перетворюватися на світло, але лише якщо простір-час поводиться “правильно”.
За нормальних обставин ви не можете отримати щось із нічого. Зокрема, Стандартна модель фізики елементарних частинок, панівна теорія, яка пояснює субатомний зоопарк частинок, зазвичай забороняє перетворення безмасових частинок у масивні. Хоча частинки в Стандартній моделі постійно перетворюються одна на одну через різні реакції та процеси, фотон — безмасовий носій світла — зазвичай не може перетворюватися на інші частинки. Але якщо умови ідеальні, це можливо — наприклад, коли фотон взаємодіє з важким атомом, він може спонтанно відщепитися, перетворившись на електрон і позитрон, обидва з яких є масивними частинками.
Маючи під рукою цей добре відомий приклад, команда фізиків-теоретиків у статті, опублікованій 28 березня в базі даних препринтів arXiv, запитала, чи може сама гравітація перетворюватися на інші частинки.
Зазвичай ми думаємо про гравітацію через призму загальної теорії відносності, де вигини та викривлення простору-часу впливають на рух частинок. На цій картині було б дуже важко уявити, як гравітація може створювати частинки. Але ми також можемо розглядати гравітацію крізь квантову лінзу, уявляючи гравітаційну силу, яку несуть незліченна кількість невидимих частинок, званих гравітонами. Хоча наша картина квантової гравітації далека від повної, ми знаємо, що ці гравітони поводитимуться як будь-яка інша фундаментальна частинка, включаючи потенційну трансформацію.
Щоб перевірити цю ідею, дослідники вивчили умови надзвичайно раннього Всесвіту. Коли наш космос був дуже молодим, він також був маленьким, гарячим і щільним. У тому молодому космосі всі форми матерії та енергії були збільшені до неймовірних масштабів, набагато більших, ніж здатні досягти навіть наші найпотужніші колайдери частинок.
Дослідники виявили, що в цій установці важливу роль відіграють гравітаційні хвилі — брижі в тканині простору-часу, що виникають внаслідок зіткнень між наймасивнішими космічними об’єктами. Зазвичай гравітаційні хвилі надзвичайно слабкі, здатні штовхнути атом на відстань, меншу за ширину його власного ядра. Але в ранньому Всесвіті хвилі могли бути набагато сильнішими, і це могло серйозно вплинути на все інше.
Ті ранні хвилі хлюпали туди-сюди, посилюючись. Будь-що інше у Всесвіті потрапило б у поштовх хвиль, що призвело б до ефекту резонансу. Подібно до того, як дитина накачує ноги в потрібний момент, щоб відправити гойдалку все вище і вище, гравітаційні хвилі діяли б як насос, збиваючи матерію в щільні згустки знову і знову.
Гравітаційні хвилі також можуть впливати на електромагнітне поле. Оскільки хвилі є брижами в просторі-часі, вони не обмежуються взаємодією з масивними об’єктами. Коли хвилі продовжують нагнітати, вони можуть призводити до надзвичайно високої енергії випромінювання у Всесвіті, спричиняючи спонтанну появу фотонів: гравітація генерує світло.
Дослідники виявили, що в цілому цей процес досить неефективний. Ранній Всесвіт також розширювався, тому стандартні моделі гравітаційних хвиль не проіснували б довго. Проте команда виявила, що якби ранній Всесвіт містив достатньо матерії, щоб швидкість світла була зменшена (так само, як світло повільніше поширюється через повітря чи воду), хвилі могли б залишатися достатньо довго, створюючи потоки додаткових фотонів.
Фізики ще не повністю розуміють складну, заплутану фізику раннього Всесвіту, який був здатний досягти успіхів, яких ніколи не спостерігали з тих пір. Це нове дослідження додає ще одну нитку до багатих гобеленів: здатність сили тяжіння створювати світло. Це випромінювання, імовірно, продовжить впливати на формування матерії та еволюцію Всесвіту, тому опрацювання повних наслідків цього дивовижного процесу може призвести до нових революцій у нашому розумінні найдавніших моментів існування космосу.
Читайте також: