Dar vienas fizikos paradoksas: gravitacinėse bangose pastebėti bendrosios reliatyvumo teorijos pažeidimai

Kanados ir Irano fizikai LIGO užfiksuotuose gravitacinių bangų signaluose aptiko nuokrypio nuo bendrosios reliatyvumo teorijos pėdsakus. Mokslininkai detektoriaus „triukšmuose“ pastebėjo juodųjų bedugnių susiliejimo daugkartinio bangų atspindžio aidą. Atsitiktinio tokio įvykio tikimybė yra maždaug 1:270. Šis nukrypimas nurodo sudėtingesnę, kvantų teorijos numatomą įvykių horizonto sandarą, pavyzdžiui, ugniasienės paradoksą. Išankstinė darbo publikacija yra arXiv.org svetainėje, trumpai apie jį praneša Nature.

Vienas iš svarbiausių šiuolaikinės fizikos tikslų — kvantinės gravitacijos teorijos sukūrimas, apjungiančios bendrąją reliatyvumo teoriją ir kvantinę lauko teoriją. Abi šios teorijos patikrintos nepriklausomai viena nuo kitos ir gerai aprašo įvairius eksperimentinius efektus. Svarbiu BRT patikrinimu tapo gravitacinių bangų aptikimas.

Stipriuose gravitaciniuose laukuose, pavyzdžiui, JB įvykių horizonte, šių teorijų prognozės skiriasi ir taip randasi paradoksai. Vienas iš jų — informacinis paradoksas, susijęs su informacijos apie materiją, patekusią į JB, praradimu.

Stengiantis išspręsti šią problemą, kyla kiti neįprasti paradoksai. Pavyzdžiui, 2012 metais Josephas Polchinskis parodė, kad JB turi supti plonas (Planko dydžio) didelės energijos dalelių sluoksnis, sunaikinantis viską, kas pakliūna į JB. Šis sluoksnis pavadintas ugniasiene (firewall). Tokio sluoksnio egzistavimo išvada prieštarauja BRT, nes taip pažeidžiamas Einšteino ekvivalentiškumo principas. Įdomu, kad vos prie savaitę už šį darbą Polchinskis apdovanotas Breakthrough Prize už pasiekimus fundamentaliosios fizikos srityje. Ugniasienės egzistavimas galėtų paaiškinti itin aukštos energijos neutrinus, kuriuos fiksuoja IceCube detektorius.

Naujojo darbo autoriai sumodeliavo JB su ugniasienėmis susiliejimo signalą ir palygino su eksperimentiniais LIGO detektoriaus duomenimis. Priminsime, kad tarptautinė fizikų komanda 2015 – 2016 metais užregistravo dvi gravitacines bangas ir vieną įvykio kandidatą. Mokslininkai pademonstravo, kad „kvantinių“ juodųjų bedugnių įvykių horizontą galima nagrinėti kaip porą pusiau skaidrių veidrodžių. Tokiame modelyje be pagrindinių svyravimų, dėl daugkartinio signalo atspindžio nuo ugniasienės struktūrų, kyla ir papildomas aidas. Jis nuo pagrindinio signalo turėtų atsilikti maždaug 0,1, 0,2 ir 0,3 sekundės.

Lygindami modelį su eksperimentiniais LIGO duomenimis, fizikai nurodė, kad aido pėdsakai užfiksuoti 2,9σ statistiniu patikimumu. Tai daug mažiau, nei elementariųjų dalelių fizikoje įprasta 5σ kartelė – atsitiktinio įvykio tikimybė 1:270 prieš 1:3 500 000. Autoriai sutinka, kad norint patikimai interpretuoti duomenis, reikia daugiau gravitacinių bangų įvykių registravimų.

Kreipėmės į M. Gorodeckį, RF Kvantų centro koherentinės mikrooptikos ir radiofotonikos grupės vadovą ir LIGO bendradarbiavimo grupės narį, prašydami kanadiečių ir iraniečių kolektyvo išvadų ekspertinio vertinimo. „2,9 sigma patikimumas nelabai didelis, nors ir ganėtinai geras. Man kyla kai kurių abejonių: jie ieško kažkokio periodiško signalo, kuris spektre atrodytų kaip aštrūs pikai, tačiau gravitacinės antenos signale labai daug savų triukšmo pikų. Jie trukdys aptikti struktūrą, kurios straipsnio autoriai ieško detektoriaus duomenyse. Geriausia būtų palaukti, kol LIGO projekto darbuotojai patikrins savo duomenis — jie gerai žino anteną ir jos signalų pikus. Publikuotų duomenų neužtenka, kad būtų galima visa tai patikrinti“.

„Tai įdomus bandymas ir gali būti, tai kažką reiškia. Iš pat pradžių iš LIGO buvo tikimasi gravitacinių bangų signalais patikrinti reliatyvumo teorijos veikimą tokiu ekstremaliu režimu — įvykių horizonte. Visi ankstesni BRT patikrinimai vyko tik santykinai silpnuose gravitaciniuose laukuose: Merkurijaus perihelio nuokrypis, laiko sulėtėjimas ir taip toliau. JB įvykių horizonte gravitacinis laukas ekstremaliai stiprus. Ten bendroji reliatyvumo teorija gali nukrypti ir pradėti veikti kokie nors kvantiniai efektai“.

Michailas paaiškino, kad nukrypimų LIGO ieškoti planuota nekaip aido. „Kai dvi juodosios bedugnės susiduria, iš pradžių jos pradeda greitėdamos suktis viena apie kitą, ir šį intervalą gerai aprašo postniutoniniai artiniai. Paskutinysis etapas, kai jos jau beveik susiliejusios ir susidaro siūbuojanti juodoji bedugnė, irgi aprašoma bendrąja reliatyvumo teorija. Tarpinį etapą galima modeliuoti tik skaitiškai. Stebint detektoriaus signalo skirtumus nuo šių skaičiavimų, galima ką nors aptikti. Aido paieškos — naujas įdomus būdas, tikrai smalsu“.

Mokslininkas taip pat pažymėjo, kad prieš savaitę LIGO vėl pradėjo duomenų rinkimą. „Detektorius vėl veikia ir vėl kaupia duomenis“.

LIGO eksperimentas atliekamas dviem detektoriais, nutolusiais vienas nuo kito >3000 km — Luizianos ir Vašingtono valstijose. Tai raidės „L“ formos Maikelsono interferometrai. Prietaisas labai tiksliai fiksuoja 4 kilometrų ilgio atšakų, kuriomis sklinda lazerio spindulys, ilgio pokyčius. 2016 metų vasarį LIGO ir VIRGO pareiškė apie pirmą kartą sėkmingai užfiksuotas gravitacines bangas — erdvėlaikio geometrijos svyravimus. 2015 metų rugsėjo 14 dieną per Žemę perėjo bangos, sukurtos dviejų, maždaug 29 ir 36 Saulės masių juodųjų bedugnių susiliejimo. Antrasis įvykis užfiksuotas 2015 metų gruodžio 26 dieną, jo užfiksavimo statistinis reikšmingumas viršija 5σ.

V. Koroliov
nplus1.ru

   

Facebook komentarai