Является ли гравитация квантовой?⁠⁠

Перевод статьи с портала Scientific American.

Ссылки, по возможности, русифицированы.

Продолжающийся поиск гравитона – предполагаемой фундаментальной частицы, несущей гравитационную силу – это ключевой шаг физиков в долгом путешествии к «теории всего».

Художественное представление гравитационных волн, создаваемых сливающимися нейтронными звездами. Ранняя Вселенная является еще одним источником гравитационных волн, которые, если их обнаружить, смогут помочь физикам разработать квантовую теорию гравитации. Р. Херт, Caltech-JPL.

Все фундаментальные силы Вселенной, как известно, следуют законам квантовой механики, кроме одной: гравитация. Открытие способа, позволяющего соотнести гравитацию с квантовой механикой, позволило бы ученым ближе подобраться к «теории всего», которая могла бы полностью объяснить работу космоса с самых основ. Важным первым шагом в этих поисках является обнаружение давно постулируемой элементарной частицы гравитации, гравитона. В поисках гравитона физики теперь обращаются к экспериментам с участием микроскопических сверхпроводников, свободно падающих кристаллов и послесвечения Большого взрыва – [реликтового излучения, прим. перев.].

Квантовая механика предполагает, что все сделано из квантов или порций энергии, которые могут вести себя и как частица, и как волна — например кванты света, называемые фотонами. Обнаружение гравитонов, гипотетических квантов гравитации, докажет, что гравитация является квантовой. Проблема заключает в том, что гравитация необычайно слаба. Чтобы непосредственно наблюдать мельчайшее воздействие гравитона на материю, здорово подметил физик Фримен Дайсон, детектор гравитона должен быть массивным настолько, что самостоятельно коллапсирует, образовав черную дыру.

«Одна из проблем всех теорий квантовой гравитации заключается в том, что их предсказания, как правило, практически невозможно экспериментально проверить», - говорит квантовый физик Ричард Норте из Делфтского технического университета в Нидерландах. «Это основная причина, по которой существует столько конкурирующих теорий и почему нам пока не удалось понять, как все на самом деле работает».

В 2015 году, однако, физик-теоретик Джеймс Квош на этот раз в Аделаидском университете в Австралии, предложил способ обнаружить гравитоны, воспользовавшись их квантовой природой. Квантовая механика предполагает, что вселенная по своей природе неопределенная, например, никогда нельзя точно знать положение и импульс частицы одновременно. Одним из следствий этой неопределенности является то, что вакуум никогда не бывает полностью пустым, а вместо этого гудит с «квантовой пеной» так называемых виртуальных частиц, которые постоянно появляются и исчезают. Эти призрачные сущности могут быть любыми квантами, включая гравитоны.

Десятилетия назад ученые обнаружили, что виртуальные частицы могут создавать силы, которые можно обнаружить. Например, эффект Казимира — притяжение или отталкивание между двумя зеркалами, расположенными близко друг к другу в вакууме. Эти отражающие поверхности движутся под действием силы, создаваемой виртуальными фотонами, мигающими и выходящими из существования. Предыдущие исследования показали, что сверхпроводники могут отражать гравитоны сильнее, чем нормальная материя, поэтому Квош вычислил, что поиск взаимодействия между двумя тонкими сверхпроводящими листами в вакууме может выявить гравитационный эффект Казимира. Результирующая сила должна быть примерно в 10 раз сильнее, чем ожидается от стандартного эффекта Казимира на основе виртуального фотона.

Недавно Норте и его коллеги разработали микрочип для проведения этого эксперимента. Этот чип содержал две микроскопические пластины с алюминиевым покрытием, которые охлаждались почти до абсолютного нуля, становясь сверхпроводящими. Одна пластина была прикреплена к подвижному зеркалу, после чего зеркало обстреливали лазером. Если бы пластины перемещались из-за гравитационного эффекта Казимира, частота света, отражающегося от зеркала, заметно бы изменялась. Как подробно описано 20 июля в журнале Physical Review Letters, ученые не смогли увидеть никакого гравитационного эффекта Казимира. Этот нулевой результат не обязательно исключает существование гравитонов и, следовательно, квантовую природу гравитации. Это скорее может означать, что гравитоны не взаимодействуют с сверхпроводниками так сильно, как это оценивали в предыдущих работах, говорит квантовый физик и лауреат Нобелевской премии Фрэнк Вильчек из Массачусетского технологического института, который не участвовал в этом исследовании и не удивлен его нулевыми результатами. Несмотря на это, Квач говорит, что «это была смелая попытка обнаружить гравитоны».

Художественное представление эксперимента (Мориц Форш, Институт Нанонауки Кавли, Делфтский технический университет)

Хотя микрочип Норте не показал, является ли гравитация квантовой, другие ученые используют множество подходов к поиску гравитационных квантовых эффектов. Например, в 2017 году в двух независимых исследованиях было показано, что если гравитация является квантовой, то она может создавать связь, известную как «запутанность» между частицами, так, что одна частица мгновенно воздействует на другую, где бы она ни находилась в космосе. Маленький эксперимент с использованием лазерных лучей и микроскопических алмазов мог бы помочь в поиске такой гравитационной запутанности. Кристаллы содержались бы в вакууме, чтобы избежать столкновений с атомами, поэтому они могли бы взаимодействовать друг с другом только по гравитации. Ученые позволили бы этим алмазам одновременно падать, и, если гравитация является квантовой, то гравитационное притяжение, которое каждый кристалл оказывает на другого, может запутать их вместе.

Исследователи будут искать запутанность, направляя лазеры в сердце каждого алмаза после броска. Если частицы в центрах кристаллов будут вращаться в одну сторону, то они будут флуоресцировать, если же частицы будут вращаться в другую сторону, то флуоресценции не будет. Если вращения в обоих кристаллах синхронны чаще, чем предсказывает вероятность, то это говорит о запутанности. «Экспериментаторам всего мира любопытно принять вызов», - говорит исследователь квантовой гравитации Анупам Мазумдар из Гронингенского университета в Нидерландах, соавтор одного из исследований запутанности.

Другая стратегия поиска доказательств для квантовой гравитации — это взгляд на космическое микроволновое фоновое излучение, слабое послесвечение Большого Взрыва, утверждает космолог Алан Гут из M.I.T. Кванты, такие как гравитоны, флуктуируют подобно волнам, а самые короткие длины волн будут иметь наиболее интенсивные флуктуации. Когда космос колоссально расширился в размерах в течение секунды после Большого взрыва, в соответствии с широко поддерживаемой космологической моделью Гута, известной как инфляционная модель, эти короткие длины волн растянулись бы до более длинных по всей Вселенной. Такое свидетельство квантовой гравитации может быть увидено как завихрения в поляризации или выравнивании фотонов космического микроволнового фонового излучения - [также реликтового излучения, прим. перев].

Однако, интенсивность узоров этих завихрений, известных как B-моды, во многом зависит от энергии и времени инфляции. «Некоторые версии инфляции предсказывают, что эти B-моды должны быть найдены в ближайшее время, в то время как другие версии предсказывают, что B-моды настолько слабы, что никогда не будет никакой надежды обнаружить их», - говорит Гут. «Но, если они будут найдены, и свойства будут соответствовать ожиданиям от инфляции, это будет очень убедительным доказательством того, что гравитация квантована».

Еще один способ выяснить, является ли гравитация квантовой — смотреть прямо на квантовые флуктуации в гравитационных волнах, которые, как полагают, состоят из гравитонов, появившихся вскоре после Большого взрыва. Лазерно-интерферометрическая гравитационно-волновая обсерватория (LIGO) впервые обнаружила гравитационные волны в 2016 году, но она недостаточно чувствительна для обнаружения флуктуирующих гравитационных волн в ранней вселенной, инфляция которой растянулась до космических масштабов, утверждает Гут. Гравитационно-волновая обсерватория в космосе, такая как Лазерно-интерферометрическая космическая антенна (LISA), потенциально может обнаружить эти волны, добавляет Вильчек.

Художественное представление одного из спутников LISA

Однако в статье, недавно принятой журналом «Classical and Quantum Gravity», астрофизик Ричард Лиу из Университета Алабамы в Хантсвилле утверждает, что LIGO уже должна была обнаружить гравитоны, если они несут столько энергии, сколько предполагают некоторые современные модели физики частиц. Может быть, гравитон просто содержит меньше энергии, чем ожидалось, но Лиу предполагает, что это также может означать, что гравитона не существует. «Если гравитона вообще не существует, это будет хорошей новостью для большинства физиков, поскольку у нас при разработке теории квантовой гравитации было ужасное время», - говорит Лиу.

Тем не менее, разработка теорий, которые исключают гравитон, может быть не проще, чем разрабатывать теории, которые его учитывают. «С теоретической точки зрения, очень трудно представить себе, как гравитацию можно было бы квантовать», - говорит Гут. «Я не знаю никакой разумной теории о том, как классическая гравитация может взаимодействовать с квантовой материей, и я не могу себе представить, как такая теория может работать».