Физики предлагают новый эксперимент, который, наконец, позволит обнаружить отдельные гравитоны — гипотетические элементарные частицы, переносящие гравитацию. Он будет включать измерение количества изолированных гравитонов, поглощенных цилиндрическим стержнем, содержащим сверхчувствительный квантовый детектор. Исследователи говорят, что, учитывая прогресс, достигнутый в области квантовых технологий, этот эксперимент должен стать осуществимым в ближайшем будущем.
Почти столетие назад Эйнштейн навсегда изменил наше понимание гравитации, объяснив ее влияние на пространство и время. Его предсказания были подтверждены большим количеством наблюдений, таких как деформация структуры пространства-времени под гравитационным воздействием огромных космических объектов.
Однако, хотя большинство фундаментальных взаимодействий имеют квантовые эквиваленты, объединение гравитации и квантовой механики представляет собой одну из величайших проблем современной физики. Гравитоны, квантовый эквивалент гравитации, остаются неуловимыми. В каком-то смысле это фундаментальный и частичный эквивалент гравитации, подобно атомам, из которых состоит материя.
Для обнаружения этого явления было предложено несколько методов. Большинство из них полагаются на квантовые системы, которые изменяют стандартные законы физики, что потенциально может привести к квантовой гравитации. Другие сосредоточены на обнаружении потенциальных элементов, скрытых в гравитационных волнах, существование которых недавно было подтверждено и которые теоретически состоят из миллиардов гравитонов. Эти волны проходят через Землю после катастрофических космических событий, таких как столкновения черных дыр.
Однако, несмотря на десятилетия исследований, гравитоны до сих пор не открыты. Идею его обнаружения посчитали невозможной, поскольку предложенные эксперименты столкнулись с серьезными техническими ограничениями. «Многие физики размышляли над этим вопросом на протяжении многих лет, но ответ всегда был одним и тем же: это невозможно», — пояснил Чжонг из Стокгольмского университета Игорь Пиковский в пресс-релизе Технологического института Стивенса. Квантовые эксперименты с участием нескольких атомов считаются невозможными, поскольку последние вряд ли будут взаимодействовать с гравитонами.
Однако недавно квантовые эффекты были замечены в макроскопических объектах.
Обратите внимание: NASA инвестирует в футуристический телескоп, который будет строить сам себя в космосе.
По мнению Пиковского и его коллег, эти объекты идеально подходят для обнаружения гравитонов, поскольку они гораздо лучше взаимодействуют с гравитацией. На основании этого они предложили новый эксперимент, который наконец позволит обнаружить отдельные гравитоны. «Это фундаментальный эксперимент, который долгое время считался невозможным, но мы думаем, что нашли способ провести его», — объясняет Пиковский. Результаты подробно описаны в журнале .Эксперимент, аналогичный наблюдению Эйнштейном фотоэлектрического эффекта
Техника, используемая в новом исследовании, включает в себя объединение существующих методов обнаружения гравитационных волн с улучшенными методами обнаружения энергетического состояния материи, также известными как квантовое обнаружение. Первый состоит из очень большого цилиндра (весом около тонны), называемого «стержнем Вебера», который действует как акустический резонатор. Он может поглощать и испускать гравитоны, точно так же, как эксперименты Эйнштейна по излучению и поглощению фотонов.
«Наше решение похоже на фотоэлектрический эффект, который побудил Эйнштейна предложить квантовую теорию света, но в нем гравитационные волны заменяют электромагнитные волны», — объясняет Пиковский. Обмен энергией между веществом и волнами происходит только дискретными шагами, что позволяет обнаруживать испускаемые и поглощаемые отдельные гравитоны.
Точнее, материал охлаждается до самого низкого энергетического уровня, а затем слегка вибрирует под действием гравитационных волн. Сверхчувствительные квантовые детекторы будут отслеживать изменения энергии колебаний на каждом этапе. Эти изменения энергии называются «квантовыми скачками», и их обнаружение приведет к выводу о поглощении гравитонов.
В эксперименте команда предложила использовать данные гравитационных волн, собранные LIGO в 2017 году после столкновения двух нейтронных звезд. «Мы можем использовать их данные для взаимной корреляции с предлагаемым нами детектором для выделения отдельных гравитонов», — сказал соавтор исследования Томас Бойтель из Института Стивенса.
Но стоит отметить, что сверхчувствительная технология квантового обнаружения, необходимая для этого эксперимента, еще не разработана. Однако эксперты полагают, что квантовые технологии развиваются достаточно быстро, чтобы сделать подобные эксперименты возможными уже в ближайшем будущем. Кроме того, недавно в материалах наблюдались квантовые переходы, что позволяет предположить, что обнаружение гравитонов является многообещающим.
Больше интересных статей здесь: Новости науки и техники.