Новый метод обнаружения гравитонов: начало экспериментальной эры квантовой гравитации

Поиск гравитона — фундаментальной частицы-переносчика гравитационного взаимодействия — долгое время считался практически невыполнимой задачей, сравнимой с попыткой обнаружить отдельную молекулу в океанской волне. Однако последние научные разработки могут кардинально изменить эту ситуацию.

В этой статье представлен перевод и адаптация интересного материала о перспективах обнаружения гравитонов и о глубоких последствиях такого открытия для физики и философии. Мы постарались сделать текст максимально понятным для русскоязычного читателя, избегая дословных кальок с английского. Надеемся на содержательное обсуждение в комментариях!

Современные исследования показывают, что обнаружение гравитационных частиц может оказаться значительно более достижимой целью, чем предполагалось ранее. В научном сообществе активно ведутся дебаты о том, что будет означать для нас открытие гравитонов и как его интерпретировать.

От невозможного к возможному

Эксперименты по поиску гравитона — гипотетической частицы, ответственной за силу тяготения, — могли бы стать событием века. Однако долгое время физики считали такие попытки безнадежными. Согласно одной из пессимистичных оценок, для регистрации одного гравитона раз в миллиард лет потребовался бы детектор размером с целую планету, вращающуюся вокруг Солнца. Чтобы улавливать по частице каждые десять лет, пришлось бы разместить аппарат размером с Юпитер вблизи нейтронной звезды. Казалось, это технически неосуществимо.

Однако эта устоявшаяся точка зрения сейчас пересматривается. Объединив современные знания о гравитационных волнах (ряби в пространстве-времени) с последними достижениями в квантовых технологиях, группа физиков предложила принципиально новый подход к обнаружению гравитонов или, по крайней мере, квантовых событий, тесно с ними связанных. Предлагаемый эксперимент, безусловно, остаётся чрезвычайно сложным, но он уже выглядит реализуемым в обозримом будущем.

Идея получила в целом положительный отклик в физическом сообществе. Маттео Фадель, экспериментатор из Швейцарского федерального технологического института в Цюрихе, отмечает, что для получения реальных результатов потребуются годы исследований. Лауреат Нобелевской премии Фрэнк Вильчек из MIT, давно интересующийся этой проблемой, назвал предложение «очень новым и хорошо продуманным» и потенциальным прорывом в области.

Сегодня гравитация в рамках общей теории относительности Эйнштейна объясняется как искривление пространства-времени. Однако прямое обнаружение гравитона доказало бы, что гравитация, подобно электромагнетизму, имеет квантовую природу и переносится дискретными частицами. Большинство учёных и так уверены в квантовании гравитации, но экспериментальное подтверждение стало бы мощным сигналом, что они движутся в верном направлении.

Интересно, что даже если эксперимент увенчается успехом, его интерпретация может вызвать споры. Самый простой вывод — прямое доказательство существования гравитона. Однако физики уже нашли теоретические возможности объяснить ожидаемый результат, не прибегая к этой частице, что напоминает ранние дебаты о природе света.

Альберт Эйнштейн в своём кабинете в Берлинском университете (фото сделано за несколько лет до публикации общей теории относительности в 1915 году).

Обсуждение гипотетических результатов перекликается с почти забытым эпизодом из истории квантовой механики. В 1905 году Эйнштейн на основе данных о фотоэффекте предположил, что свет существует в форме дискретных частиц (фотонов). Многие его современники, включая Нильса Бора и Макса Планка, отстаивали классическую волновую теорию. Потребовалось около семидесяти лет, чтобы окончательно доказать квантовую природу света, во многом из-за тонкости и неочевидности этого квантования.

Сегодня большинство физиков убеждены, что всё в нашей реальности квантовано, включая гравитацию. Однако экспериментальное доказательство этого факта может положить начало новой масштабной интеллектуальной дискуссии, первые залпы которой уже звучат.

Сложности изучения гравитации и новый подход

Гравитационное взаимодействие невероятно слабо по сравнению с другими фундаментальными силами, что делает его экспериментальное изучение крайне трудным. Чтобы создать заметное искривление пространства-времени, требуются колоссальные массы, подобные планетным. Для сравнения, крошечный магнит легко преодолевает гравитацию Земли и прилипает к холодильнику благодаря электромагнитным силам.

Один из методов изучения сил — создание возмущений и наблюдение за откликом. Колебания заряженных частиц порождают световые волны, а колебания массивных объектов — гравитационные волны. Если свет мы видим непосредственно, то для детектирования гравитационных волн человечеству потребовалось создать гигантский интерферометр LIGO, который в 2015 году впервые зафиксировал «рябь» от слияния чёрных дыр.

Обнаружение же отдельного гравитона — задача на порядки сложнее. В 2012 году физик Фримен Дайсон, оценивая возможность такого эксперимента, пришёл к неутешительному выводу. Он рассмотрел гравитоны, рождаемые в недрах Солнца, и подсчитал, что детектор размером с Землю мог бы регистрировать всего несколько частиц за всё время жизни звезды.

Расчёты выдающегося физика-теоретика Фримена Дайсона долгое время служили аргументом в пользу невозможности обнаружения отдельных гравитонов.

Однако за последние 13 лет ситуация изменилась благодаря двум ключевым достижениям. Во-первых, LIGO начал регулярно фиксировать гравитационные волны от катастрофических событий, таких как слияния чёрных дыр и нейтронных звёзд. Эти события генерируют не слабый «ручеёк», а мощный «поток» гравитонов. Во-вторых, технологии контроля и измерения квантовых состояний шагнули далеко вперёд.

Игорь Пиковский, физик-теоретик из Технологического института Стивенса, размышлял над этими возможностями с 2016 года. Вместе с коллегами он заметил, что резервуар со сверхтекучим гелием можно настроить на отражение гравитационных волн определённой частоты. Несмотря на макроскопическую массу, сверхтекучий гелий проявляет квантовые свойства. «Это будет наш первый шаг на пути изучения эффектов квантовой гравитации», — говорит Пиковский.

Чтобы перейти от детекторов волн к детекторам частиц, нужен концептуальный скачок. В недавней статье в Nature Communications Пиковский с соавторами описали принцип работы гравитонного детектора.

Как может работать детектор гравитонов

Предлагаемый эксперимент выглядит следующим образом. Необходимо взять массивный (около 15 кг) стержень из бериллия или аналогичного материала и охладить его до температур, максимально близких к абсолютному нулю. В таких условиях материал перейдёт в основное квантовое состояние с минимальной энергией, и все его атомы начнут вести себя как единая квантовая система — гигантский искусственный атом.

Затем нужно дождаться прохождения гравитационной волны из космоса. Вероятность взаимодействия одного конкретного гравитона со стержнем ничтожна, но волна состоит из огромного их числа. Расчёты показывают, что примерно треть гравитационных волн от слияний нейтронных звёзд (которые длятся дольше, чем слияния чёрных дыр) должна вызывать в стержне квантовый переход — «звон» с энергией ровно в одну квантовую единицу. Если детектор LIGO зафиксирует волну, а охлаждённый стержень одновременно покажет квантовый скачок, это станет свидетельством квантованного гравитационного воздействия.

Инфографика, иллюстрирующая предложенный метод обнаружения гравитонов.

Главная инженерная сложность — перевод макроскопического объекта в основное квантовое состояние и фиксация его перехода на следующий энергетический уровень. Над решением этой задачи уже работают. Например, группа Маттео Фаделя в Цюрихе охлаждает микроскопические сапфировые кристаллы до квантового состояния. В 2023 году им удалось продемонстрировать квантовую суперпозицию для кристалла массой в 16 миллионных грамма. Это всё ещё намного легче, чем нужный для эксперимента стержень, но Фадель считает задачу выполнимой: «Это не такое уж безумие».

Эксперимент Пиковского методологически перекликается с работами, которые в 1905 году привели Эйнштейна к гипотезе о квантовании света. «Если этот план будет реализован, состояние поля гравитона окажется в положении фотона 1905 года», — отмечает Фрэнк Вильчек.

Игорь Пиковский, физик из Технологического института Стивенса, предложивший метод обнаружения квантованного отклика на гравитационные волны.

Историческая параллель поучительна. Хотя учебники приписывают открытие фотонов Эйнштейну, на деле его идея была встречена в штыки многими современниками. Окончательные, неопровержимые доказательства были получены лишь десятилетия спустя. Это была долгая битва за понимание истинной природы света.

Обратите внимание: Цифровая диктатура в Китае. У миллионов людей слишком мало шансов иметь возможность жить нормальной жизнью.

Исторический прецедент: война за фотон

В конце XIX века классическая физика начала давать трещины. Были открыты электроны — дискретные носители заряда. В то же время фотоэлектрический эффект ставил учёных в тупик: слабый свет определённого цвета мог выбивать электроны из металла, а более яркий свет другого цвета — нет. Это противоречило волновой теории, согласно которой эффект должен был зависеть от яркости, а не от частоты.

В 1905 году Эйнштейн предложил революционное объяснение: свет состоит из дискретных порций — квантов (позже названных фотонами), энергия которых зависит от частоты. Красный свет (низкая частота) несёт малоэнергетичные кванты, которые не могут выбить электрон, сколько бы их ни было. Синий свет (высокая частота) несёт высокоэнергетичные кванты, каждый из которых способен на это, даже если их поток невелик.

Эта теория была встречена скептически. Физики, воспитанные на уравнениях Максвелла, отстаивали волновую природу света. Даже после присуждения Эйнштейну Нобелевской премии в 1921 году дебаты не утихли. Такие учёные, как Нильс Бор, разрабатывали «полуклассические» теории, где квантовалась только материя (электроны в металле), а свет оставался классической волной. Согласно этой аналогии, электрон — это ребёнок на качелях: раскачать его можно только толчками с определённой резонансной частотой, независимо от того, являются ли эти толчки одиночными ударами или частью волны.

Окончательная точка в споре была поставлена лишь в конце 1970-х годов экспериментами по квантовой оптике, которые продемонстрировали такие паттерны детектирования света, которые невозможно объяснить без частиц. «Существует множество доказательств, что концепция фотона полезна и жизненно важна», — подытоживает Вильчек.

Гравитон — неуловимая «капля» в океане гравитационных волн.

Начало гравитонных войн

В августе 2023 года физик Дэниел Карни из Национальной лаборатории Лоуренса в Беркли и его коллеги выпустили статью, которая может считаться первым залпом в новой «гравитонной войне». Изучив историю фотонных дебатов и современные предложения, они пришли к выводу, что эксперимент, подобный предложенному Пиковским, не сможет однозначно доказать квантовую природу гравитации. Для безоговорочного доказательства, заключающего все теоретические лазейки, по-прежнему потребовалось бы оборудование планетарного масштаба, как и предсказывал Дайсон.

Таким образом, научное сообщество оказалось в парадоксальной ситуации. Все согласны, что обнаружение квантового отклика на гравитационную волну будет огромным достижением. Но также все признают, что этот результат можно будет интерпретировать в рамках полуклассической теории, где гравитация остаётся классической, а квантуется только детектор. «Возможно ли создать классическую гравитационную волну, которая производила бы такой же сигнал? Ответ — да», — говорит Карни.

Дэниел Карни считает, что предлагаемый эксперимент не предоставит убедительных доказательств квантовой гравитации, так как оставляет теоретические лазейки.

Мнения разделились. Для многих, включая Вильчека, успех эксперимента станет убедительным, хотя и не абсолютным, доказательством квантовости гравитации, поскольку альтернативные полуклассические теории выглядят искусственными и, например, нарушают закон сохранения энергии. «Если вы не будете использовать слишком искусственные интерпретации, то вы должны ясно увидеть, что квантовая механика применима к гравитационным волнам», — утверждает он.

Другие, как Карни, настаивают на необходимости «закрывающих лазейку» экспериментов, какими бы сложными они ни были. «У нас уже есть множество убедительных доказательств, что вся реальность квантована... Мы настолько склонны считать, что всё квантово, что из нас получаются отличные юристы!» — иронизирует он.

Отправная точка для новой эры

Несмотря на споры об интерпретации, многие физики сходятся во мнении, что предложенный эксперимент необходимо провести. Он ознаменует начало экспериментальной эры квантовой гравитации — области, которая до недавнего времени была чисто теоретической.

«Это захватывающая работа... Это сложные эксперименты, и нам нужны умные, интеллигентные люди, работающие в этом направлении», — говорит Алекс Сушков из Бостонского университета. «Мы можем использовать это как отправную точку», — добавляет Мьюнгсик Ким из Имперского колледжа Лондона.

Главное — сделать первый шаг, который вдохновит на последующие, более изощрённые опыты. Квантовая механика — это не только дискретность, но и суперпозиция состояний, и квантовая запутанность. Эксперименты, демонстрирующие, что гравитация проявляет эти свойства, станут следующими вехами на пути понимания самой слабой, но фундаментальной силы Вселенной. Охлаждённые до квантового состояния массивные стержни могут стать тем инструментом, который откроет эту дверь.

Это мой научно-философский проект, где я преподаю. Присоединяйтесь к нам: давайте дружить, общаться и обмениваться знаниями!

Больше интересных статей здесь: Новости науки и техники.

Источник статьи: Возможно гравитоны всё-таки удастся обнаружить.