Общая теория относительности утверждает, что каждая гравитационная волна оставляет постоянный след в структуре пространства-времени, непрерывно деформируя его. Этот «эффект памяти», предсказанный теорией, так и не подтвержден экспериментально. С момента первого обнаружения гравитационных волн в 2016 году физики пытаются найти способ измерить этот эффект.
Изучая взаимосвязь материи, энергии и пространства-времени, физики стремятся глубже осмыслить информационный парадокс черных дыр Стива Хокинга, занимавший центр внимания теоретиков уже пятьдесят лет. Эффект памяти тесно связан с симметрией пространства-времени. Это обусловлено потерей информации в черных дырах, что представляет собой серьёзную проблему в структуре пространства и времени. — заявил Кип Торн, физик из Калифорнийского технологического института, лауреат Нобелевской премии по физике за 2017 год за работы с гравитационными волнами.
В середине 1970-х годов Стивен Хокинг выдвинул гипотезу о том, что черные дыры могут испаряться очень медленно до полного исчезновения. Это привело к проблеме: что происходит с поглощенной информацией? Известно как информационный парадокс. Общая относительность предполагает возможность исчезновения информации в черной дыре, но такая потеря означает необратимость и неунитарную эволюцию квантовых состояний, что противоречит принципам квантовой механики.
Симметрии, скрытые в пространстве-времени
Гравитационные волны вечно изменят структуру пространства-времени благодаря тесной связи, которую устанавливает общая теория относительности между пространством-временем и энергией. Проходя перед детектором гравитационных волн LIGO, она мешает лазерным лучам, проходящим через два огромных плеча установки. Представим круг, описывающий два плеча (центр круга находится на их пересечении), гравитационная волна периодически деформирует его, сжимая последовательно по вертикали и горизонтали. Это искажение вызывает крошечную разницу в длине между плечами детектора, отражающую прохождение волны.
Во время применения эффекта памяти форма круга должна оставаться немного искаженной. Обнаруженные LIGO объекты находятся на таком удалении, что их гравитационное воздействие незначительно; однако гравитационная волна обладает большим радиусом действия, чем сила тяготения. То же справедливо для свойства, отвечающего за эффект памяти: гравитационного потенциала. Гравитационный потенциал — это количество энергии, которое объект получил бы при падении с определённой высоты. Скорость объекта при касании земли позволяет оценить потенциальную энергию, полученную во время падения.
В общей теории относительности, где пространство-время меняется при движении тел, потенциал определяет не только потенциальную энергию, но и форму пространства-времени. Энергия проходящей гравитационной волны изменяет гравитационный потенциал, искажая пространство-время даже после её прохождения. «Память — это изменение релятивистского гравитационного потенциала», — говорит Торн.
Деформации пространства-времени безграничны по возможностям, но обладают равной энергетической ценностью. Когда излучается гравитационная волна, пространство-время переходит из одной конфигурации в другую, сохраняя при этом минимальную энергию. Это указывает на наличие скрытых симметрий в структуре пространства-времени.
Возможное решение информационного парадокса
В 1960-х годах при изучении общей теории относительности физики предположили гипотетическую область, расположенную бесконечное расстояние от всей массы и энергии во Вселенной. В этой области обнаружилось бесконечное число симметрий помимо ожидаемых (трансляционная, вращательная и симметрия импульса). Эти новые, называемые «супертрансляционными», симметрии свидетельствуют о том, что отдельные участки пространства-времени могут растягиваться, сжиматься и перемещаться, а поведение в этой бесконечно удаленной области остается неизменным.
В 1980-х Абхай Аштекар обнаружил, что эффект памяти является физическим проявлением «суперсимметрий». Супертрансляция может искажать пространство-время. В 2016 году Стивен Хокинг и другие физики поняли, что горизонт черной дыры обладает супертрансляционными симметриями, поэтому существует соответствующий эффект памяти. Это означает, что падающие частицы могут изменять пространство-время в окрестностях черной дыры, меняя её информационное содержание. Знания о свойствах частиц не будут потеряны, а будут навсегда закодированы в ткани пространства-времени.
Ученые LIGO пока не обнаружили никаких признаков эффекта памяти. Изменение расстояния между зеркалами детектора при прохождении гравитационной волны незначительно (одна тысячная ширины протона!), а эффект памяти должен быть в 20 раз меньше. Сейсмические шумы Земли также усложняют измерения. Гравитационное притяжение стремится вернуть зеркала LIGO на исходные позиции, стирая следы деформации. Исследователи должны измерить смещение зеркал от эффекта памяти, прежде чем гравитация повлияет на них.
Невозможно обнаружить эффект памяти, связанный с одной гравитационной волной, с помощью современной техники, но астрофизик предложили другой вариант. Можно эффективно складывать сигналы от разных слияний для получения статистически надёжных доказательств. — заявляет Пол Ласки из Университета Монаша в Австралии. Для утверждения об эффекте памяти понадобится более тысячи гравитационно-волновых событий. Но благодаря постоянному совершенствованию LIGO, а также участию Virgo и KAGRA, Ласки считает, что для достижения 1000 детекторов потребуется всего несколько лет.