Захват гравитона подобен обнаружению молекулы в океанской волне.
Привет, друзья! Я нашел очень интересную статью о поисках гравитона и научных и философских последствиях его открытия. Оригинальный текст здесь. Я постарался сделать качественный перевод, понятный русскоязычным читателям и не содержащий выражений, типичных для английского языка, но непривычных для нас. Надеюсь, в комментариях состоится продуктивное обсуждение! Приятного чтения!
Обнаружение гравитационных частиц может оказаться гораздо проще, чем считалось ранее. Физики сейчас спорят о том, что означает для нас открытие гравитонов.
Эксперименты по открытию гравитона — гипотетической частицы, которая, как считается, обладает силой гравитации, — могли бы изменить жизнь. Однако до сих пор это считалось невозможным. Согласно одной из печально известных оценок, космический аппарат размером с Землю, вращающийся вокруг Солнца, мог бы регистрировать один гравитон каждый миллиард лет. Согласно этому расчету, чтобы улавливать один гравитон каждые десять лет, нам пришлось бы припарковать машину размером с Юпитер рядом с нейтронной звездой. Короче говоря: этого не произойдет.
Однако эта общепринятая точка зрения вскоре может кардинально измениться. Объединив наше современное понимание гравитационных волн (по сути, ряби в пространственно-временном континууме) с достижениями в области квантовых технологий, группа физиков разработала новый способ обнаружения гравитонов (или, по крайней мере, квантовых событий, тесно связанных с гравитонами). Предлагаемый ими эксперимент все равно потребует огромных усилий, но, по крайней мере, он реально возможен.
Физическое сообщество в целом положительно отреагировало на эту идею.
«Чтобы получить реальные результаты, потребуется несколько лет исследований», — сказал Маттео Фадель, экспериментатор из Швейцарского федерального технологического института в Цюрихе (ETH Zurich».
В свою очередь, Фрэнк Вильчек, лауреат Нобелевской премии по физике из Массачусетского технологического института, который давно интересуется обнаружением гравитонов, охарактеризовал это предложение как «очень новое и хорошо продуманное». По его словам, «это будет настоящим достижением в этой области».
В настоящее время общая теория относительности Альберта Эйнштейна объясняет гравитацию как геометрическую кривизну ткани пространства-времени. Однако окончательное обнаружение гравитации доказало бы, что она существует как квантовая частица, так же как электромагнетизм и другие фундаментальные силы. Большинство физиков полагают, что гравитация имеет квантовую природу, и они потратили много времени, пытаясь определить квантовые правила, по которым работает гравитация. Обнаружение гравитонов подтвердит, что они на правильном пути.
Но даже несмотря на то, что сам эксперимент относительно прост, интерпретации того, что может доказать обнаружение гравитонов, сильно различаются. Самым простым объяснением положительных результатов является существование самого гравитона. Однако физики нашли способ объяснить этот результат без привлечения гравитонов.
В 1915 году Альберт Эйнштейн опубликовал свою современную теорию гравитации, известную как общая теория относительности, а эта фотография была сделана в его кабинете в Берлинском университете несколькими годами ранее.
Обсуждение экспериментальных гипотетических результатов напоминает о загадочном, почти забытом событии из ранней квантовой эры. В 1905 году Эйнштейн на основании экспериментальных данных пришел к выводу, что свет «квантован» и существует в форме дискретных частиц (теперь называемых фотонами). Другие, включая Нильса Бора и Макса Планка, считали, что классическая волновая природа света все же может сохраниться. Физикам потребовалось семь десятилетий, чтобы с уверенностью доказать, что свет квантуется, во многом потому, что природа квантования весьма тонка.
Большинство физиков считают, что все в мире квантовано, включая гравитацию. Однако доказательство этой гипотезы положит начало новой интеллектуальной войне, которая, судя по всему, только началась.
Щелчки гравитации
Гравитацию трудно изучать экспериментально, поскольку она очень слаба. Нужна огромная масса — например, планета, — чтобы достаточно сильно искривить пространство-время и создать заметное гравитационное притяжение. Напротив, магнит размером с кредитную карту легко прилипнет к холодильнику. Электромагнитная сила не такая уж и слабая.
Один из способов изучения этих сил — возмущать объект, а затем наблюдать возникающие при этом колебания. Встряхивание заряженных частиц создает световые волны. Возмутите массивный объект, и он начнет испускать гравитационные волны. Световые волны мы обнаруживаем невооруженным глазом, но гравитационные волны — это совсем другое дело. После десятилетий работы и создания гигантского детектора длиной в несколько километров, в 2015 году Лазерно-интерферометрическая гравитационно-волновая обсерватория (LIGO) наконец впервые обнаружила гул в пространстве-времени — гул, вызванный столкновением далеких черных дыр.
Обнаружить отдельный гравитон было бы гораздо сложнее, чем обнаружить воздействие одной молекулы в океанской волне. Насколько это сложно? В своей лекции в 2012 году известный физик Фримен Дайсон рассмотрел гравитационные волны от Солнца, где интенсивное перемешивание материи внутри звезды постоянно производит крошечные колебания в пространстве и времени. Время от времени гравитон из этой ряби сталкивается с атомом в специальном детекторе и переводит электрон на более высокий энергетический уровень. Дайсон подсчитал, что при использовании аналогичного зонда размером с Землю этот эффект можно будет наблюдать всего четыре раза за 5 миллиардов лет жизни Солнца.
Расчеты покойного физика Фримена Дайсона показали, что отдельный гравитон никогда не может быть обнаружен.
За 13 лет, прошедших с тех пор, как Дайсон сделал эти заявления, два экспериментальных достижения сделали ситуацию немного менее плачевной. Во-первых, LIGO начал регулярно регистрировать гравитационные волны от сталкивающихся черных дыр и, время от времени, от сталкивающихся нейтронных звезд. Эти события сотрясают пространство-время гораздо сильнее, чем возбуждения внутри Солнца, порождая потоки гравитонов, а не крошечные «струйки», которые описывает Дайсон. Во-вторых, экспериментаторы теперь способны лучше обнаруживать и измерять квантовые явления.
Игорь Пиковский, физик-теоретик из Технологического института Стивенса в Нью-Джерси, размышлял об этих разработках с 2016 года. В то время он и трое его коллег заметили, что контейнер со сверхтекучим гелием можно настроить на отражение определенных гравитационных волн. Несмотря на большую массу, сверхтекучий гелий проявляет квантовые свойства.
«Это будет наш первый шаг на пути изучения эффектов квантовой гравитации».
Игорь Пиковский
Для перехода от детекторов гравитационных волн к отдельным детекторам гравитонов необходим еще один концептуальный скачок. В недавней статье в журнале Nature Communications Пиковский и его соавторы описывают, как может работать детектор гравитонов.
Сначала возьмите 15-килограммовый кусок бериллия (или аналогичного материала) и охладите его почти до абсолютного нуля — максимально низкой возможной температуры. Когда все тепло будет потеряно, основная масса окажется в «основном состоянии» с самой низкой энергией. Все атомы в полоске будут действовать вместе как одна квантовая система, подобная гигантскому атому.
Затем подождите, пока пройдут гравитационные волны из глубокого космоса. Вероятность взаимодействия любого конкретного гравитона с бериллиевым стержнем мала, но волна содержит так много гравитонов, что общая вероятность хотя бы одного взаимодействия высока. Команда подсчитала, что около трети правильного типа гравитационных волн (столкновения нейтронных звезд работают лучше всего, поскольку их слияния длятся дольше, чем слияния черных дыр) заставят стержни звенеть с энергией в одну квантовую единицу. Если бы ваш стержень отскочил от гравитационной волны, что подтверждается LIGO, вы стали бы свидетелем квантованного события, вызванного гравитацией.
Инфографика, описывающая, как физики обнаруживают гравитоны
Из множества инженерных задач, связанных с проведением этого эксперимента, самой сложной является перевод тяжелого объекта в его основное состояние и обнаружение его перехода в следующее низшее энергетическое состояние. Исследовательская группа в Цюрихе работает над тем, чтобы расширить этот предел: Фаделл и его коллеги охлаждают крошечные кристаллы сапфира до тех пор, пока они не проявят квантовые свойства. В 2023 году команде удалось перевести кристалл в два состояния одновременно — еще один отличительный признак квантовой системы. Его масса составляет 16 миллионных грамма — много для квантового объекта, но все же на полмиллиардной легче слитка Пиковского. Тем не менее, Фаделл считает, что эксперимент осуществим. «Это не такое уж безумие», — сказал он.
Эксперимент Пиковского, как и эксперимент Дайсона, имитирует тот, который привел Эйнштейна в 1905 году к предположению, что свет квантуется, что стало поворотным моментом в истории квантовой механики. «Если этот план будет реализован, состояние поля гравитона будет таким же, каким был фотон в 1905 году», — сказал Вильчек.
Физик из Технологического института Стивенса Игорь Пиковский предложил метод обнаружения квантованного отклика на гравитационные волны.
Учебники часто приписывают существование фотонов работе Эйнштейна. Но реальная история гораздо интереснее. В то время многие физики отвергли теорию Эйнштейна. Некоторые люди не осознают этого в течение двадцати лет. По их мнению, окончательное доказательство еще далеко.
Обратите внимание: Цифровая диктатура в Китае. У миллионов людей слишком мало шансов иметь возможность жить нормальной жизнью.
Скорее, это были первые дебаты в долгой битве за определение истинной природы света.История фотона: фотонные войны
В конце XIX века физики увидели первые трещины в своем классическом понимании реальности. Дж. Дж. Томсон открыл, что электрический ток существует в форме дискретных электрических зарядов, называемых электронами. В то же время физики были озадачены серией экспериментов Генриха Герца и других, в которых свет использовался для генерации электрического тока — явление, которое стало известно как фотоэлектрический эффект.
Удивительно, но когда они направляли слабый луч света на металлическую пластину, иногда через нее проходил электрический ток, а иногда — нет. В доквантовом мире это было трудно объяснить. Считается, что любая волна должна создавать хотя бы слабое течение, а более яркие волны должны создавать более сильные течения. Вместо этого физики обнаружили, что существует определенный цвет света — частота — которая может вызвать возникновение электрического тока. Только волны этой частоты или выше могут создать электрический ток. Яркость тут почти не при чем.
В 1905 году Эйнштейн предложил решение: световые волны состоят из множества дискретных единиц, называемых «квантами», каждая из которых имеет энергию, связанную с частотой волны. Чем выше частота волны, тем больше ее квантовая энергия. Чем ярче волна, тем больше в ней квантов. Если вы попытаетесь использовать низкочастотный красный свет для пропускания электрического тока через металлическую пластину, вероятность успеха будет примерно такой же, как если бы вы попытались опрокинуть холодильник шариком для пинг-понга; Никакой суммы не будет достаточно. Но использование более высокочастотного синего света похоже на переключение на «Монолит». Каждая элементарная ячейка имеет достаточно энергии, чтобы возбудить один электрон даже при тусклом свете, но в действительности их всего несколько.
Теория Эйнштейна была подвергнута сомнению. Физики решительно отстаивают теорию, предложенную 40 лет назад Джеймсом Клерком Максвеллом, согласно которой свет представляет собой электромагнитную волну. Они наблюдали преломление, дифракцию света и все то, что происходит с волнами. Как он может состоять из частиц?
Даже после того, как в 1921 году Эйнштейн получил Нобелевскую премию по физике за свою теорию фотоэффекта, физики продолжали спорить. Этот эффект предполагает, что что-то квантуется; в противном случае не было бы минимального порога для движения электронов. Однако некоторые физики, включая Нильса Бора, который считается одним из основателей квантовой теории, продолжали исследовать возможность того, что квантуется только материя, а не свет. Сегодня эту теорию называют «полуклассической теорией», поскольку она описывает взаимодействие классических полей с квантовой материей.
Чтобы понять, как полуклассическая теория объясняет фотоэлектрический эффект, представьте себе ребенка на качелях. Они чем-то похожи на электроны в металлах. Они имеют основное состояние (неколебательное) и возбужденное состояние (колебательное). Классическая волна похожа на серию толчков младенца. Если толчки происходят со случайной частотой, ничего не произойдет. Ваш ребенок может немного подпрыгивать, но в целом останется на земле. Только когда вы толкаете с правильной частотой («резонансной» частотой качелей), ребенок накопит энергию и начнет качаться. (Электроны в металлах немного отличаются; они резонируют с целой непрерывной «полосой» частот, а не только с одной. Но результат тот же: любые волны ниже этой полосы не будут иметь никакого эффекта, в то время как любые волны внутри этой полосы будут возбуждать электроны и вызывать течение тока.)
Гравитон — неуловимая капля в океане гравитационных волн.
В конечном итоге правота Эйнштейна была доказана, но не только из-за силы фотоэлектрического эффекта. В более поздних экспериментах электроны и фотоны сталкивались как снаряды, и было обнаружено, что импульс также появлялся порциями. Исследование окончательно исключает главную альтернативу — полуклассическую теорию света и материи Бора и его коллег. В 1925 году, увидев эти данные, Бор согласился «сделать так, чтобы наши революционные усилия были похоронены как можно более достойно», и приветствовал свет в квантовой сфере. Квант света называется фотоном.
После 1925 года мало кто сомневался в существовании фотонов, но физики не собирались почивать на лаврах. Тот факт, что никому не удалось предложить жизнеспособную полуклассическую теорию, не означает, что такая теория невозможна. Убедительные доказательства того, что фотоны действительно существуют, появились лишь в конце 1970-х годов, когда исследователи квантовой оптики показали, что свет достигает детекторов по схемам, которые не может воспроизвести ни одна полуклассическая теория. Эти эксперименты подобны выстрелу из фотонной пушки раз в секунду и подтверждению того, что детектор посылает ответ раз в секунду. Фотонная война окончена.
«Существует множество доказательств того, что концепция фотона полезна и жизненно важна», — сказал Вильчек.
Начало Гравитонных Войн
В августе 2023 года Дэниел Карни, физик из Национальной лаборатории Лоуренса в Беркли, и его коллеги сделали первые выстрелы в новой интеллектуальной войне.
Все началось с того, что у коллеги Карни Николаса Родда возникла идея, схожая с идеей Пиковского, о том, как обнаружить гравитоны. «Мы очень взволнованы», — сказал Карни.
Но когда он и его коллеги углубились в литературу, они обнаружили сложную историю фотона и усилия исследователей квантовой оптики в 1970-х годах по закрытию последних лазеек. Они перенесли эти более строгие испытания в среду гравитации и обнаружили, что Дайсон был прав. Чтобы по-настоящему продемонстрировать квантовость, обнаруживая отдельные гравитоны по одному, а не вытаскивая их из цунами, как предлагал Пиковский, действительно потребуется оборудование планетарного масштаба.
Дэниел Карни, физик из Национальной лаборатории Лоуренса в Беркли, считает, что предлагаемый эксперимент не предоставит убедительных доказательств квантовой гравитации.
«Это безумие — так быстро полностью пересматривать свои предположения», — сказал Карни.
Теперь охотники за гравитоном оказались в странной ситуации. По основным фактам все были единодушны. Во-первых, удивительно, что возможно обнаружение квантовых событий, вызванных гравитационными волнами. Во-вторых, нельзя окончательно доказать, что гравитационные волны квантованы. «Возможно ли создать классическую гравитационную волну, которая производила бы такой же сигнал?» сказал Карни, который вместе с двумя соавторами проанализировал подобные эксперименты в Physical Review D. «Ответ — да.
Мнения физиков по поводу результатов, полученных в ходе этого эксперимента, расходятся. Для некоторых это станет убедительным доказательством того, что гравитация — это квантовая сила, поскольку альтернативная теория — полуклассическая теория гравитации и материи — непопулярна по ряду причин. Например, эти теории нарушают закон сохранения энергии. Если бериллиевый стержень приобретает один квант энергии, то, согласно закону сохранения энергии, гравитационная волна теряет один квант энергии — значит, она тоже должна квантоваться. (Эйнштейн выдвинул этот аргумент для фотонов в 1911 году.) Полуклассические теории спасают классичность гравитации, жертвуя этим древним принципом.
«Мы настолько склонны считать, что все квантово, что из нас получаются отличные юристы!«
Дэниел Карни
«Если вы не будете использовать слишком искусственные интерпретации, — сказал Вильчек, — то вы должны ясно увидеть, что квантовая механика применима к гравитационным волнам».
«Если я хочу увидеть доказательства квантовости, моей первой целью не является немедленное устранение всех помех», — сказал Пиковский.
Однако для таких физиков, как Карни, простое предположение о том, что гравитация квантуется, не имеет особого смысла. «У нас уже есть множество убедительных доказательств того, что вся реальность квантована», — сказал он. Нам нужны доказательства — например, эксперименты, которые могут закрыть оставшиеся дыры, какими бы странными они ни казались.
Отправная точка
Хотя предложение Пиковского не является экспериментом по закрытию лазейки, многие физики все равно хотели бы увидеть его реализацию. Это ознаменовало бы начало эры экспериментальной квантовой гравитации, эры, которая до недавнего времени казалась очень далекой.
«Это захватывающая работа», — сказал Алекс Сушков, физик-экспериментатор из Бостонского университета. «Это сложные эксперименты, и нам нужны умные, интеллигентные люди, работающие в этом направлении».
«Мы можем использовать это как отправную точку», — сказал Мьюнгсик Ким, физик из Имперского колледжа Лондона.
Самое главное — начать, что затем может вдохновить на последующие эксперименты, которые продвинут физиков глубже в эпоху квантовой гравитации, так же как эксперименты по рассеянию когда-то продвинули их глубже в эпоху фотонов. Теперь физики знают, что квантовая механика — это больше, чем просто квантование. Например, квантовые системы могут принимать комбинацию состояний, известную как суперпозиции, и их части могут стать «запутанными», так что измерение одной из них дает информацию о другой. Эксперименты, подтверждающие, что гравитация демонстрирует эти явления, предоставят более веские доказательства квантовой гравитации, и исследователи уже изучают, что потребуется для проведения таких экспериментов.
Ни один из этих методов проверки квантовых аспектов гравитации не является полностью убедительным, но каждый из них может дать важную информацию о нюансах самого слабого взаимодействия во Вселенной. Теперь охлаждаемые бериллием квантовые стержни кажутся основными кандидатами для эксперимента, который ознаменует первый шаг на этом долгом и извилистом пути.
Это мой научно-философский проект, где я преподаю. Присоединяйтесь к нам: давайте дружить, общаться и обмениваться знаниями!
[Моя] Наука Популярная наука Ученый Физика Квантовая физика Исследовательский эксперимент Гравитация Гравитон Гравитационная длина волны Текст 2Больше интересных статей здесь: Новости науки и техники.
Источник статьи: Возможно гравитоны всё-таки удастся обнаружить.
- Гриб Amaropostia stiptica, известный как «горький трутовик», вряд ли встретится вам на рынке — и не только из-за редкости, но и потому, что он невероятно горький
- 4 апреля 2025 года космический аппарат НАСА Juno во время своего 71-го оборота вокруг Юпитера обнаружил некую аномалию, дважды войдя в безопасный режим