Космическая тайна. Физики предполагают, что гравитация может генерировать свет и объяснили, как это должно происходить

Прекрасная штука — эта квантовая физика, что здесь еще можно сказать.

Однако вернемся в мир реальный, то есть тот, который мы можем увидеть. Стандартная модель утверждает, что безмассовые частицы не могут получить массу. Например, фотон — фундаментальная, не имеющая массы «базовая» частица света, обычно не может стать другой частицей, несмотря на то, что большинство других частиц могут переживать подобные трансформации. К примеру, кварки могут менять свои ароматы с нижнего на верхний, а частицы нейтрино — «прыгать» между каждым из трех видов (электронное нейтрино, мюонное нейтрино и тау-нейтрино). Эта особенность называется нейтринными осцилляциями.

Однако в идеальных условиях даже фотон может получить массу и стать какой-нибудь частицей. Например, при взаимодействии с тяжелым атомом в «идеальных» условиях, он может спонтанно отколоться и превратиться в электрон и позитрон — и то, и другое являются массивными частицами.

В новом исследовании, которое пока доступно в базе данных препринтов arXiv, ученые изучили условия чрезвычайно ранней Вселенной. Тогда наш мир был совсем другим, чем сейчас — гораздо меньше, плотнее и горячее. Поэтому вся материя и энергия взаимодействовали совсем не так, как мы привыкли, а их скорость была такой, какой неспособны достичь даже самые мощные коллайдеры современности.

В этом сверхгорячем супе ученые рассматривают гравитацию не только через призму Стандартной модели. Условия ранней Вселенной позволяют исследователям изучать гипотетическое состояние гравитации, которое она могла бы иметь благодаря квантовой физике. Гипотетические гравитационные частицы известны как гравитоны; сейчас у ученых нет доказательств их существования, однако это не мешает предполагать, что в полярно других условиях мира они действительно могли бы существовать.

Так вот, эти частицы гипотетически ведут себя так же, как и любая другая фундаментальная частица — в том числе они могут трансформироваться в другие частицы. Важную роль в этом процессе должны играть гравитационные волны — рябь в ткани пространства-времени, возникающие в результате столкновений между самыми массивными космическими объектами вроде галактик, черных дыр и нейтронных звезд. Сейчас, из-за огромных расстояний, разделяющих нашу Вселенную, гравитационные волны гораздо слабее — однако в ранней Вселенной они были гораздо сильнее, что оказало бы серьезное влияние и на другие взаимодействия.

Представьте небольшой детский бассейн. Если вы начнете создавать волны своими руками и продолжите это делать в течение определенного времени, вода начнет брызгаться, ведь волны будут усиливать друг друга. Так же и в условиях ранней Вселенной — гравитационные волны сбивали материю в плотные комки, параллельно усиливая взаимодействие между фундаментальными частицами. Таким образом, этот процесс мог бы привести к очень высокой энергии излучения; можно сказать, что гравитация таким образом сформировала фотоны, то есть частицы света.

Исследователи объясняют, что этот процесс не был бы продолжительным из-за расширения Вселенной. Поэтому гравитационные волны понемногу бы теряли свою кумулятивную силу.

Несмотря на то, что сейчас такую ситуацию представить (и воспроизвести) невозможно, понимание этих механизмов позволяет ученым исследовать эволюцию Вселенной и лучше понимать процессы, происходившие в ранней эпохе нашего мира.