Гравитация может превращаться в свет

В нормальных условиях вы не можете получить что-то из ничего. В частности, Стандартная модель физики элементарных частиц, господствующая теория, объясняющая субатомный зоопарк частиц, обычно запрещает превращение безмассовых частиц в массивные. В то время как частицы в Стандартной модели постоянно превращаются друг в друга посредством различных реакций и процессов, фотон — безмассовый носитель света — не может нормально превращаться в другие частицы. Но если условия подходящие, это возможно — например, когда фотон взаимодействует с тяжелым атомом, он может спонтанно разделиться и стать электроном и позитроном, которые являются массивными частицами, сообщает Live Science.

Имея в руках этот хорошо известный пример, группа физиков-теоретиков в статье, опубликованной 28 марта в базе данных препринтов arXiv, задалась вопросом, может ли сама гравитация трансформироваться в другие частицы. Обычно мы думаем о гравитации через призму общей теории относительности, согласно которой изгибы и искривления пространства-времени влияют на движение частиц. На этой картинке было бы очень сложно представить, как гравитация может создавать частицы. Но мы также можем рассматривать гравитацию через квантовую линзу, представляя гравитационную силу, переносимую бесчисленными невидимыми частицами, называемыми гравитонами. Хотя наша картина квантовой гравитации далека от завершения, мы знаем, что эти гравитоны будут вести себя как любые другие фундаментальные частицы, включая потенциально трансформирующиеся.

Чтобы проверить эту идею, исследователи изучили условия очень ранней Вселенной. Когда наш космос был очень молод, он тоже был маленьким, горячим и плотным. В этом молодом космосе все формы материи и энергии были увеличены до невообразимых масштабов, намного больших, чем способны достичь даже наши самые мощные коллайдеры частиц.

Исследователи обнаружили, что в этой установке важную роль играют гравитационные волны — рябь в ткани пространства-времени, порожденная столкновениями между самыми массивными космическими объектами. Обычно гравитационные волны чрезвычайно слабы и способны подтолкнуть атом на расстояние, меньшее, чем ширина его собственного ядра. Но в ранней Вселенной волны могли быть намного сильнее, и это могло серьезно повлиять на все остальное.

Эти ранние волны плескались бы туда-сюда, усиливая себя. Все остальное во Вселенной было бы захвачено толчком и притяжением волн, что привело бы к эффекту резонанса. Подобно тому, как ребенок качает ногами в нужный момент, чтобы раскачиваться все выше и выше, гравитационные волны действовали бы как насос, снова и снова сбивая материю в плотные комки.

Гравитационные волны также могут влиять на электромагнитное поле. Поскольку волны представляют собой рябь в самом пространстве-времени, они не ограничиваются взаимодействием с массивными объектами. По мере того, как волны продолжают накачиваться, они могут доводить излучение во Вселенной до чрезвычайно высоких энергий, вызывая спонтанное появление фотонов: гравитация сама по себе порождает свет.

Исследователи обнаружили, что в целом этот процесс довольно неэффективен. Ранняя Вселенная также расширялась, поэтому стандартные модели гравитационных волн не могли существовать долго. Тем не менее, команда обнаружила, что если бы ранняя Вселенная содержала достаточно материи, чтобы скорость света была уменьшена (так же, как свет движется медленнее в среде, такой как воздух или вода), волны могли бы задерживаться достаточно долго, чтобы действительно получить вещи. происходит, генерируя потоки дополнительных фотонов.

Физики еще не до конца понимают сложную, запутанную физику ранней Вселенной, которая была способна совершать подвиги, невиданные с тех пор. Это новое исследование добавляет еще одну нить к богатому гобелену: способность гравитации создавать свет. Предположительно, это излучение будет влиять на формирование материи и эволюцию Вселенной, поэтому выяснение всех последствий этого удивительного процесса может привести к новым революциям в нашем понимании самых ранних моментов космоса.