Десять лет назад учёные впервые обнаружили рябь в ткани пространства-времени
Десять лет назад учёные впервые обнаружили колебания в структуре пространства-времени, известные как гравитационные волны, возникшие в результате столкновения двух чёрных дыр. Теперь, благодаря усовершенствованным технологиям и некоторой удаче, недавно обнаруженное слияние чёрных дыр предоставляет наиболее чёткие доказательства того, как работают чёрные дыры, и, в процессе, предлагает долгожданное подтверждение фундаментальных предсказаний Альберта Эйнштейна и Стивена Хокинга.
Новые измерения были сделаны с помощью обсерватории Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO), под руководством астрофизиков Максимилиано Изи и Уилла Фарра из Центра вычислительной астрофизики Института Флэтайрон в Нью-Йорке. Результаты проливают свет на свойства чёрных дыр и фундаментальную природу пространства-времени, намекая на то, как квантовая физика и общая теория относительности Эйнштейна сочетаются друг с другом.
«Это наиболее ясное представление о природе чёрных дыр», — говорит Изи, который также является доцентом в Колумбийском университете. «Мы нашли одни из самых убедительных доказательств того, что астрофизические чёрные дыры — это чёрные дыры, предсказанные из теории общей теории относительности Альберта Эйнштейна».
Результаты были опубликованы в статье в журнале Physical Review Letters в рамках сотрудничества LIGO-Virgo-KAGRA.
Гравитационные волны раскрывают тайны чёрных дыр
Для массивных звёзд чёрные дыры являются конечным этапом их эволюции. Чёрные дыры настолько плотные, что даже свет не может избежать их гравитации. Когда две чёрные дыры сталкиваются, это событие искажает пространство, создавая рябь в пространстве-времени, которая распространяется по Вселенной, подобно звуковым волнам, исходящим от удара в колокол.
Эти деформирующие пространство волны, называемые гравитационными волнами, могут рассказать учёным многое об объектах, которые их создали. Подобно тому, как большой железный колокол издаёт другие звуки, чем меньший алюминиевый колокол, «звук» слияния чёрных дыр специфичен для свойств вовлечённых чёрных дыр.
Учёные могут обнаруживать гравитационные волны с помощью специальных инструментов в обсерваториях, таких как LIGO в Соединённых Штатах, Virgo в Италии и KAGRA в Японии. Эти инструменты тщательно измеряют, сколько времени требуется лазеру, чтобы пройти заданный путь.
По мере того как гравитационные волны растягивают и сжимают пространство-время, длина инструмента, и, следовательно, время прохождения света, меняется незначительно. Измеряя эти крошечные изменения с большой точностью, учёные могут использовать их для определения характеристик чёрных дыр.
Недавно обнаруженные гравитационные волны были созданы в результате слияния, в результате которого образовалась чёрная дыра массой в 63 солнечных и вращающаяся со скоростью 100 оборотов в секунду. Результаты получены спустя 10 лет после того, как LIGO впервые обнаружила слияние чёрных дыр. С момента этого знаменательного открытия усовершенствования в оборудовании и методиках позволили учёным получить гораздо более ясное представление об этих космических событиях.
Экзотическая фаза материи реализована на квантовом процессоре
Фазы материи — это основные состояния, которые может принимать материя, например, вода, которая может находиться в жидком или ледяном состоянии. Традиционно эти фазы определяются в условиях равновесия, когда система стабильна во времени. Но природа допускает и более странные возможности: новые фазы, которые возникают только тогда, когда система выводится из равновесия.
В новом исследовании, опубликованном в журнале Nature, исследовательская группа показывает, что квантовые компьютеры предлагают беспрецедентный способ изучения этих экзотических состояний материи.
Используя квантовый процессор с 58 сверхпроводящими кубитами, команда из Технического университета Мюнхена (TUM), Принстонского университета и Google Quantum AI реализовала топологически упорядоченное состояние Флоке, фазу, которая была теоретически предложена, но никогда ранее не наблюдалась.
Они непосредственно визуализировали характерные направленные движения на краю и разработали новый интерферометрический алгоритм для исследования основных топологических свойств системы. Это позволило им стать свидетелями динамической «трансмутации» экзотических частиц — признака, который был теоретически предсказан для этих экзотических квантовых состояний.
«Сильно запутанные неравновесные фазы трудно смоделировать на классических компьютерах», — сказала первый автор Мелисса Уилл, доктор философии, студентка физического факультета Школы естественных наук TUM. «Наши результаты показывают, что квантовые процессоры — это не просто вычислительные устройства, они — мощные экспериментальные платформы для обнаружения и изучения совершенно новых состояний материи».
Эта работа открывает дверь в новую эру квантового моделирования, где квантовые компьютеры становятся лабораториями для изучения обширного и в значительной степени неизученного ландшафта неравновесной квантовой материи. Полученные знания могут иметь далеко идущие последствия, от понимания фундаментальной физики до разработки квантовых технологий следующего поколения.