Лаборатория вместо Юпитера: физики нашли способ обнаружить гравитон

Идея обнаружения гравитона, гипотетической частицы, которая, как предполагается, переносит силу гравитации, давно привлекала ученых, но считалась практически неосуществимой. Теоретические расчеты показали, что для регистрации одного гравитона потребовалась бы установка размером с Землю, вращающаяся вокруг Солнца, и даже в таком случае частица могла бы фиксироваться лишь один раз за миллиард лет. Альтернативный расчет, представленный в исследовании , предположил, что для проведения эксперимента в течение десятилетия необходим детектор размером с Юпитер, расположенный возле нейтронной звезды.

Тем не менее, недавнее предложение бросает вызов этой традиционной точке зрения. Команда физиков разработала новый метод, основанный на сочетании современных знаний о гравитационных волнах — колебаниях в ткани пространства-времени — и достижений квантовой технологии. Предложенный метод позволяет надеяться на обнаружение гравитона или хотя бы квантового события, тесно связанного с ним. Эксперимент представляет собой масштабное и сложное испытание, но теоретически его можно провести в пределах обычной лаборатории и завершить за несколько лет активных исследований.

В соответствии с общей теорией относительности Альберта Эйнштейна, гравитация объясняется как плавное искривление пространства-времени, в отличие от других фундаментальных сил, таких как электромагнетизм, которые представляют собой кванты энергии. Подтверждение существования гравитона доказало бы, что и гравитация состоит из квантовых частиц, что значительно изменило бы представление о природе этой силы. На протяжении десятилетий ученые пытались разгадать квантовую природу гравитации и, если обнаружение гравитона удастся, это станет знаковым шагом вперед, подтверждающим их теоретические наработки.

Хотя предполагаемый эксперимент кажется достижимым, точная интерпретация его результатов может оказаться сложной. Наиболее простое объяснение положительного результата связано с подтверждением существования гравитонов. Однако физики обнаружили, что подобные результаты могут интерпретироваться и другими способами, не обязательно указывающими на наличие квантовых частиц гравитации.

Экспериментальное исследование гравитации осложняется из-за того, что эта сила крайне слаба. Для значительного искривления пространства-времени требуются огромные массы, такие как планеты или звезды. В то время как электромагнитная сила достаточно сильна, чтобы небольшой магнит мог удерживать предметы на металлической поверхности, гравитация требует больших масштабов для проявления. Например, для регистрации гравитационных волн, вызванных столкновением черных дыр, ученым потребовались установки, подобные лазерному интерферометру LIGO, протяженностью в несколько километров. Ожидается, что обнаружение отдельного гравитона окажется еще более сложным, почти как попытка уловить одну молекулу в гигантской океанской волне.

Однако в последние годы развитие экспериментальных технологий несколько упростило ситуацию. Во-первых, обсерватория LIGO стала регулярно фиксировать гравитационные волны от черных дыр и нейтронных звезд, что обеспечивает более сильные колебания пространства-времени по сравнению с обычной активностью звезд, и, как следствие, более высокие шансы на обнаружение. Во-вторых, достижения в квантовой технологии позволяют экспериментаторам создавать и контролировать сложные квантовые системы, потенциально способные фиксировать взаимодействие гравитации.

В недавно предложенном эксперименте ученые планируют использовать брусок бериллия весом около 15 килограммов, охлажденный почти до абсолютного нуля, при котором он достигает своего минимального энергетического состояния. В таком состоянии атомы бериллия действуют как единая квантовая система, способная улавливать слабые колебания пространства-времени. Согласно расчетам, около одной из трех гравитационных волн, создаваемых слиянием нейтронных звезд, может вызвать колебание бериллиевого блока с одним квантом энергии, что укажет на квантовое взаимодействие. Подобный результат будет свидетельствовать о том, что гравитация может проявляться в форме квантов.

Этот эксперимент не даст окончательного ответа на вопрос о квантовой природе гравитации, так как существуют альтернативные объяснения полученных результатов, не требующие квантовой интерпретации гравитации. Однако многие ученые рассматривают его как возможное начало новой эры в исследовании квантовой гравитации. Если раньше такие исследования казались невероятно сложными, то сейчас, благодаря развитию квантовых технологий, шансы на их проведение выглядят куда более реалистично.

Будущие эксперименты могут быть направлены на подтверждение более сложных квантовых феноменов, таких как суперпозиция и запутанность в гравитационных взаимодействиях. Доказательство таких явлений значительно укрепит позиции квантовой теории гравитации, и ученые уже разрабатывают возможные методы их проверки. Хотя ни один из этих экспериментов не может дать абсолютно железобетонного доказательства, каждый из них станет значимым шагом на пути к пониманию фундаментальных свойств гравитации, самой слабой из известных сил.

Массивный бериллиевый блок, охлажденный до предела, может стать первым практическим инструментом, с помощью которого физики совершат первые шаги на пути к познанию квантовой природы гравитации. Этот эксперимент станет отправной точкой, побудившей научное сообщество к дальнейшим исследованиям и возможному открытию новых законов физики, которые помогут ответить на древние вопросы о структуре Вселенной.