Гравитон в квантовой гравитации

Скопления галактик — «соединены». Речь не о каких-то физических мостиках или жёстких связях. На самом деле их связывает крупномасштабная структура Вселенной — астрономы образно называют «космической паутиной». Скопления — это узлы в этой сети, а соединяют их гигантские нити. 
Филаменты — так официально называют эти нити — это вытянутые структуры, внутри которых сосредоточены не только галактики, но и горячий разреженный газ - плазма с температурой в миллионы градусов, а также тёмная материя.

Именно тёмная материя играет ключевую роль: она формирует гравитационный каркас, «скелет», вдоль которого затем концентрируется обычное вещество. Газ по этим нитям как бы «стекает» к узлам — скоплениям галактик, подпитывая их рост и стимулируя звездообразование. 

Аттрактор — это не отдельная структура,  область с повышенной плотностью материи, которая создаёт сильное гравитационное поле. И вот эта область как раз может находиться на пересечении нескольких филаментов или быть центром целого сверхскопления. Из-за такой концентрации массы галактики и другие скопления в окрестностях начинают двигаться к ней — формируется поток.  Аттрактор не «соединяет» в смысле каркаса,  притягивает материю, которая уже распределена вдоль нитей паутины. 

Под действием гравитации - в первую очередь тёмной материи, из начальных микроскопических неоднородностей плотности выросла сложная сеть. В узлах этой сети — скопления галактик, вдоль нитей — газ и отдельные галактики, а между нитями — обширные пустоты. И движение материи - галактик, газа, во Вселенной во многом определяется этой структурой.

Материя течёт по нитям к узлам, а сами узлы могут притягивать соседние области. 
Вселенная расширяется не одинаково везде.

Расширение Вселенной и гравитация постоянно соревнуются. На очень больших масштабах — между скоплениями и сверхскоплениями — расширение побеждает: пространство растягивается, и расстояния между этими структурами увеличиваются.
Но внутри гравитационно связанных систем - отдельные галактики, скопления галактик, гравитация сильнее, и эти объекты не расширяются вместе с Вселенной — они удерживаются вместе.

Представьте тесто с изюмом: когда тесто поднимается, изюминки разлетаются друг от друга, но сами изюминки не растягиваются. Так же и со скоплениями галактик — они как изюминки, а расширяющееся пространство между ними — как тесто.

Внутри нити галактики и газ движутся под действием гравитации — они «стекают» к узлам - скоплениям. Этот процесс идёт независимо от расширения, потому что на этих масштабах гравитация пока доминирует.
Но сами нити как протяжённые структуры постепенно растягиваются расширением Вселенной. Это не разрыв, а медленное «вытягивание»: расстояние между узлами нити увеличивается, и со временим нить становится тоньше и длиннее.

С войдами - пустотами, происходит обратное: они расширяются быстрее среднего темпа, «раздуваясь» и как бы выталкивая материю к границам — туда, где формируются нити.
А что с тёмной энергией?
Тёмная энергия — причина ускоренного расширения — усложняет картину. Она ускоряет раздувание пространства на самых крупных масштабах.

Гравитационно связанные объекты  - галактики, скопления, останутся вместе ещё очень долго — тёмная энергия пока не способна их разорвать.

Но вся крупномасштабная структура будет постепенно охлаждаться: гравитация будет превращать скопления в чёрные дыры.
Пространство между узлами паутины всё быстрее, и связи между далёкими скоплениями будут уплотняться гравитацией.

В очень далёком будущем - через сотни миллиардов лет, космическая паутина фактически объединит все чёрные дыры.

Наблюдаемая Вселенная — это действительно только та часть космоса, свет от которой успел дойти до нас за 13,8 миллиардов лет - столько существует Вселенная. Из-за расширения пространства её радиус сейчас оценивают примерно в 46 миллиардов световых лет.
Её удобно представлять как шар с центром в Земле - точнее, в любой точке космоса — для каждого наблюдателя свой шар. Это не потому, что Вселенная кончается на этой границе, а потому, что дальше свет просто ещё не успел долететь. Эту границу называют космологическим горизонтом.

Когда мы смотрим на далёкую галактику, мы видим её такой, какой она была миллиарды лет назад — пока свет от неё добирался до нас. Расширение Вселенной влияет на путь этого света, но не стирает уже пришедшие фотоны. Поэтому галактика остаётся видимой, даже если «сегодня» она находится гораздо дальше или даже за пределами того, что мы могли бы увидеть в будущем.
Два разных горизонта
Космологический горизонт частиц - граница наблюдаемой Вселенной — это максимальное расстояние, с которого свет успел дойти до нас за 13,8 млрд лет. Его радиус — около 46 млрд световых лет из-за того, что пространство расширялось всё это время. Галактики, чей свет уже попал в эту сферу, мы уже видим.
Горизонт событий — это предел, дальше которого свет, испущенный сейчас, никогда до нас не дойдёт из-за ускоренного расширения. Он примерно в 16–17 млрд световых лет (в сопутствующих координатах).
Новые события перестают доходить. Если в далёкой галактике вспыхивает сверхновая сегодня, её свет может никогда не достичь Земли из-за ускоренного расширения. Мы будем видеть только её прошлое, которое уже успело к нам прийти.

В очень далёком будущем - через сотни миллиардов лет, почти все галактики за пределами нашего локального сверхскопления скроются за горизонтом событий. Останутся только те, что гравитационно связаны с нами.
Но это не значит, что они «пропадут» мгновенно: мы будем продолжать видеть их старые изображения, пока фотоны, испущенные до ухода за горизонт, долетают до нас. Просто новых событий мы уже не увидим.
А теперь посмотрим на реальные снимки телескопов. Они не показывают расширение напрямую, но позволяют увидеть его следствия. Например, Hubble Ultra Deep Field:
На таком глубоком снимке запечатлён крошечный участок неба, заполненный тысячами галактик самых разных возрастов. Ключевой момент: самые далёкие - и потому самые древние, галактики часто выглядят более красными. Это следствие красного смещения: из-за расширения Вселенной длина волны света от удаляющихся объектов растягивается, смещаясь в красную часть спектра. Изучая это смещение, астрономы и вычисляют, насколько сильно и как быстро расширяется пространство. 

На деле судьба разных объектов складывается по-разному, и многое зависит от масштаба времени и конкретных условий.
Чёрные дыры образуются только при определённых условиях — например, когда массивная звезда в конце жизни исчерпывает топливо и её ядро коллапсирует. Но большинство звёзд в галактиках - особенно маломассивные красные карлики, в итоге станут белыми карликами, а не чёрными дырами. Планеты, астероиды, газ и пыль вообще не превращаются в чёрные дыры — у них просто нет для этого достаточной массы и условий.
 Галактика как структура - скопление звёзд, газа, тёмной материи, не «схлопывается» в чёрную дыру. В центрах многих галактик действительно есть сверхмассивные чёрные дыры, но они — лишь часть системы, а не результат превращения всей галактики. Даже если такие центральные дыры со временем сливаются, это не означает, что вся остальная материя галактики тоже превратилась в дыру.
Через триллионы лет обычные звёзды исчерпают топливо, и в космосе останутся в основном чёрные дыры, белые карлики, нейтронные звёзды. В такой ситуации чёрные дыры действительно станут доминирующим типом объектов, но это не значит, что вся материя превратилась в них — просто другие формы существования стали редкими. При этом даже в таких моделях есть нюансы: чёрные дыры могут сливаться, а благодаря квантовому эффекту - излучению Хокинга, очень мелкие чёрные дыры со временем испаряются. 
В очень далёком будущем чёрные дыры могут стать преобладающим типом массивных объектов, но не единственным и не в результате тотального превращения всей материи, а из-за охлаждения вселенной, при неизменной её массе, гравитация начнет коллапсировать.

Гравитационный коллапс — это катастрофически быстрое сжатие массивного объекта под действием его собственной силы тяжести. Он происходит, когда силы гравитации начинают преобладать над силами давления, которые обычно этому сжатию противостоят. 

Чёрная дыра образуется, если масса исходного остатка превышает предел Оппенгеймера — Волкова, примерно 2–3 солнечные массы. 
Дальнейшая эволюция: в изоляции чёрная дыра постепенно теряет массу за счёт излучения Хокинга — квантового эффекта, из-за которого она испускает частицы. Чем меньше чёрная дыра, тем быстрее идёт этот процесс. В итоге она может полностью испариться. 
Но есть и другие сценарии:
Если чёрная дыра находится в системе с другим веществом - например, в аккреционном диске вокруг неё падает газ, она будет расти за счёт аккреции. 
В космологическом масштабе чёрные дыры могут сливаться друг с другом, образуя более массивные объекты. 
    Сверхмассивная чёрная дыра под действием гравитации может разогреться до планковской температуры и плотности, что в рамках некоторых гипотез рассматривается как возможный триггер нового Большого взрыва. 
В очень далёком будущем - через триллионы лет, в Вселенной будут  доминировать чёрные дыры, но и они постепенно испарятся. 
Для пространства-времени всё равно: сольются чёрные дыры или разлетятся в разные стороны, главное, что гравитон сожмёт всю вселенную в чёрные дыры, а затем  за счёт излучения Хокинга — квантового эффекта,   испустит частицы и сольётся с плотностью вакуума.
В самом конце, когда все чёрные дыры испарятся, во Вселенной не останется никаких «объектов» в привычном смысле — только очень разреженный «суп» из элементарных частиц и излучения.
Этот этап иногда называют «эпохой вечной тьмы» или «тёмной эрой». 
 Задолго до испарения чёрных дыр атомы начнут распадаться. Вещество в белых карликах, нейтронных звёздах — всё это со временем распадётся на субатомные частицы: электроны, позитроны, нейтроны, а затем и на кварки. 
Затем испаряются чёрные дыры. Из-за излучения Хокинга чёрные дыры постепенно теряют массу. Сначала испарятся менее массивные, а самые сверхмассивные просуществуют дольше всех — но в конечном счёте и они исчезнут. При испарении масса чёрной дыры превращается в излучение - фотоны, нейтрино и другие частицы. 
 В итоге во Вселенной останутся только фундаментальные частицы и излучение, которые будут дрейфовать в расширяющемся пространстве. Они будут крайне редко взаимодействовать друг с другом. Температура Вселенной приблизится к абсолютному нулю.
Полезная энергия будет равномерно распределена — это состояние иногда называют «тепловой смертью». 
В рамках квантовой гравитации возможны иные финальные состояния пространства-времени. 

Квантовая гравитация — это попытка создать единую теорию, которая совместит два фундаментальных описания природы: общую теорию относительности (ОТО) Эйнштейна - она описывает гравитацию как искривление пространства-времени и отлично работает на больших масштабах, и квантовую механику - она описывает мир элементарных частиц и работает на очень малых масштабах.
В квантовой механике пространство и время — это как сцена, на которой происходят события. Частицы прыгают, взаимодействуют, а фон остаётся неизменным.
В общей теории относительности пространство-время — это не сцена, а сама материя, которая гнётся, растягивается и искривляется под действием массы и энергии. Оно динамическое.
Гравитацией звёзд и планет занимается ОТО, а атомами и электронами — квантовая механика.

Но есть особые места, где обе теории должны работать одновременно, и без квантовой гравитации там ничего не понятно:
Центр чёрной дыры - сингулярность. Там материя сжата до бесконечно большой плотности, а кривизна пространства бесконечна. ОТО предсказывает сингулярность, но это признак того, что теория сломалась. Нужна квантовая гравитация, чтобы описать, что там происходит на самом деле.
Момент Большого взрыва. В самые первые мгновения Вселенная была крошечной и невероятно плотной. Это тоже экстремальные условия, где гравитация и квантовые эффекты должны были быть неразделимы.
Излучение Хокинга. Это квантовый эффект, происходящий на фоне сильного гравитационного поля чёрной дыры. Он показывает, что связь между квантами и гравитацией точно есть, но полного описания этого процесса пока нет.
Эффекты квантовой гравитации становятся заметными только на планковском масштабе: это расстояния порядка10^-35 метра и энергии, в миллиарды раз большие, чем те, что достижимы в Большом адронном коллайдере.

Эйнштейн показал, что время — это не отдельная прямая, а четвёртая координата вместе с тремя пространственными.

Получается единое пространство-время.

Представь, что ты стоишь на перекрёстке. Ты можешь пойти вперёд-назад, влево-вправо, вверх-вниз — это три направления в пространстве. Но ты всегда движешься ещё и «вперёд» по времени.
Даже когда ты стоишь на месте, ты летишь вперёд во времени.
В этой картине:
Движение в пространстве «крадёт» часть скорости у движения во времени. Чем быстрее ты летишь в пространстве (например, на космическом корабле), тем медленнее ты движешься по своей временной координате. Поэтому часы на быстро летящем корабле идут медленнее, чем на Земле. Это не иллюзия, а реальное замедление времени.
Время зависит от гравитации. Рядом с массивным объектом - например, у чёрной дыры, время тоже течёт медленнее. Получается, что «двигаться по времени» можно с разной скоростью в зависимости от того, где ты находишься и как быстро летишь.
Без времени все события слились бы в одну кучу.
Даже если вообще ничего не движется - абсолютный вакуум, полная тишина, время всё равно идёт, потому что оно задаёт порядок для любых возможных событий.
На самом микроскопическом уровне время становится ещё более загадочным. В некоторых уравнениях квантовой механики время вообще можно повернуть назад, и формулы будут работать. Но в реальном мире мы всегда видим, что время идёт только вперёд - например, разбитая чашка не собирается обратно.

Время не исчезает и не становится равным нулю. Даже в абсолютном вакууме, где «ничего не происходит», время продолжает существовать — просто мы не можем его измерить привычными часами.

Даже в том, что мы называем «абсолютным вакуумом», на квантовом уровне события всё равно происходят. Квантовая теория поля говорит, что вакуум — это не пустота, а бурлящее море виртуальных частиц: они постоянно возникают и исчезают. Это и есть «события» на самом глубоком уровне. Так что в реальном физическом вакууме время вполне можно измерять — например, по скорости этих квантовых флуктуаций.
В классической физике: время есть всегда, даже в вакууме.
В теории относительности: время — это свойство пространства-времени; без событий его нельзя измерить, но оно остаётся частью структуры.
В некоторых теориях квантовой гравитации: на самом глубоком уровне времени может вообще не существовать — наше ощущение его течения возникает из взаимодействий.
В реальном вакууме: квантовые флуктуации дают «события», так что время вполне можно определить.
Абсолютный ноль — в классической физике это температура, при которой прекращается тепловое движение частиц. Но в реальности полностью остановить движение нельзя из-за квантовой механики.

Работает принцип неопределённости Гейзенберга: нельзя одновременно точно знать и положение частицы, и её импульс - скорость. Если бы частица полностью остановилась, мы бы знали и то, и другое с абсолютной точностью — а это запрещено законами природы.
 Поэтому даже при абсолютном нуле у частиц остаётся нулевая энергия или нулевые колебания — минимально возможная энергия, которую система не может отдать. Из-за неё атомы всё ещё «дрожат», хоть и очень слабо.

Например, жидкий гелий при нормальном давлении не замерзает даже при температурах, близких к абсолютному нулю — именно из-за этих квантовых эффектов.
А что с временем?
Время не останавливается. Это принципиально разные вещи:
Температура — это мера средней кинетической энергии частиц в веществе. При абсолютном нуле процессы сильно замедляются, но не исчезают.
Время — это фундаментальная координата в физике. В теории относительности время связано с пространством в единую структуру - пространство-время, и его ход зависит от скорости и гравитации, но не от температуры.
Даже «замороженная» система эволюционирует. Например, радиоактивный изотоп будет распадаться с той же скоростью независимо от температуры — этот процесс не связан с тепловым движением.
У квантового вакуума нет температуры в обычном смысле.

Температура — это мера средней кинетической энергии частиц в веществе. Мы меряем её, когда много частиц сталкиваются, передают друг другу энергию, и в итоге у них появляется какая-то средняя скорость. В идеальном вакууме, и уж тем более в квантовом, нет такого множества частиц, который мог бы прийти в равновесие и иметь одну общую температуру.

Виртуальные частицы в вакууме — это не обычные частицы, которые можно поймать термометром. Это квантовые флуктуации поля: они появляются и исчезают не из-за нагрева, а из-за самой природы квантовых полей и принципа неопределённости. Для них понятие «средняя энергия на частицу» и «температура» неприменимо.

Три главных случая, когда из «холодного» вакуума вдруг появляется температура:
Эффект Унру. Если ты ускоряешься в абсолютно пустом вакууме, ты начнёшь видеть вокруг себя тепловое излучение — будто находишься в тёплой ванне. То есть вакуум «нагревается» не сам по себе, а только для ускоренного наблюдателя.
Излучение Хокинга. У чёрной дыры вакуум вблизи горизонта событий тоже выглядит как тепловое излучение с температурой.

Чем меньше чёрная дыра, тем горячее её излучение. И снова: это не температура самого вакуума, а эффект, который возникает из-за сильного искривления пространства-времени.
Казимиров эффект и реальные измерения. Когда две очень близкие металлические пластины помещают в вакуум, они чувствуют силу из-за того, что между ними могут существовать не все возможные квантовые моды. Это доказывает, что вакуум «живёт», но никакой температуры при этом не измеряют — измеряют силу и давление.
Так что вакуум — это не кипящий бульон с какой-то температурой, а скорее ткань, которая постоянно и очень мелко дрожит. Дрожь есть, а «градусника», который мог бы её измерить как температуру, — нет.
Фотоны — это один из способов переносить или хранить энергию.

Энергия — это универсальная мера способности совершать работу.

Энергия не материальный объект, а характеристика состояния: у движущейся машины есть кинетическая энергия, у сжатой пружины — потенциальная, у горячей чашки чая — внутренняя. Энергия бывает разных форм, и они могут превращаться друг в друга.
Где тут фотоны
Фотон — это элементарная частица - квант электромагнитного поля. И любой фотон действительно несёт энергию. Чем выше частота - например, гамма-излучение, тем больше энергии в одном фотоне.
Ядерная энергия. Энергия, удерживающая протоны и нейтроны в ядре. При ядерных реакциях она тоже может превращаться в кинетическую энергию осколков и в излучение (фотоны), но изначально это не фотоны.
Гравитационная энергия. Например, энергия, которую теряет камень, падая на Землю. Или энергия, излучаемая в виде гравитационных волн при слиянии чёрных дыр - это вообще не фотоны, а волны пространства-времени.
 Фотоны — это результат преобразования других форм энергии, а не сама энергия как сущность.

Главное правило: если есть движение, но нет силы - или сила перпендикулярна движению, работа равна нулю. И наоборот: можно прикладывать огромную силу, но если нет движения — работы тоже нет.
Работа — это мера того, сколько энергии передаётся при действии силы на протяжении какого-то пути.

Испарение чёрных дыр действительно размазывает локально сосредоточенную энергию по пространству. Но «выравнивание по плотности» во всей Вселенной — это не произойдёт.

Когда чёрная дыра испаряется - через излучение Хокинга, вся её масса-энергия превращается в излучение: фотоны, нейтрино, другие частицы. Эти частицы разлетаются во все стороны. То есть энергия, которая была сжата в крошечную точку невероятной плотности, распределяется по огромному объёму пространства.

Локально — да, происходит выравнивание. Вместо «точки» бесконечной плотности получается облако излучения, которое расширяется и редеет. Концентрация энергии падает.

Флуктуации никуда не деваются. Квантовая природа вакуума означает, что даже в самом «выровненном» состоянии остаются случайные флуктуации плотности энергии. Они крошечные, но они есть. Абсолютной однородности не бывает.

Финальное состояние — это не однородное «озеро» энергии, а бесконечно холодное пространство, в котором отдельные частицы дрейфуют, почти не встречаясь друг с другом. Плотность стремится к нулю, но нигде не становится строго одинаковой.
Есть интересный нюанс: в некоторых теориях - например, в моделях вечной инфляции, эти квантовые флуктуации в удалённых областях могут время от времени порождать новые области с высокой плотностью — словно «новые маленькие вселенные». Так что «полное выравнивание» может вообще никогда не наступить.

  Чтобы расширение вселенной остановилось, нужно не «выравнивание плотности», а выполнение одного из условий:

Достаточно высокая плотность материи, чтобы гравитационное притяжение победило расширение. Это зависит не от того, насколько равномерно распределена материя, а от того, сколько её всего. Если плотность выше критической — Вселенная может остановиться и начать сжиматься.

Отсутствие тёмной энергии.  При достаточно высокой -  но однородной плотности материи расширение могло бы замедлиться и остановиться.

Остановить расширение вселенной могла бы только достаточно большая масса материи. Гравитация победит, если достаточно плотность уменьшиться, а вселенная охладится сколь угодно близко до температуры 0К.