Например, обнаружить фотон очень просто. Существует множество типов устройств, способных обнаруживать одиночные фотоны, таких как фотоумножители, которые используются в лабораториях по всему миру. Фактически, вам даже не нужны никакие причудливые технологии — человеческий глаз в принципе может обнаружить одиночный фотон.
Сенсоры сетчатки могут реагировать на одиночный фотон, но нейронные фильтры не позволяют сигналу пройти в мозг, чтобы вызвать сознательную реакцию на такое слабое «освещение». Если бы мы могли сознательно видеть одиночные фотоны, мы бы испытывали слишком много визуального «шума» при очень слабом освещении. Поэтому этот фильтр скорее является нашей необходимой адаптацией, чем «недостатком».
Однако обнаружить гравитоны намного сложнее. Есть пример, который рассматривает идеальный детектор с массой планеты Юпитер, около 10^27 килограмм, помещённый на близкую орбиту вокруг нейтронной звезды, которая является очень сильным источником гравитонов. Подсчёты показывают, что даже в этом крайне нереалистичном сценарии для обнаружения одного гравитона потребуется 100 лет!
Хорошо, скажете вы, давайте просто создадим этот детектор (когда-нибудь в далёком будущем, когда у нас будет технология для этого) и подождем 100 лет. Однако есть важная деталь, о которой я забыл упомянуть. Кроме гравитонов звезда испускает нейтрино. При этом нейтрино намного больше, чем гравитонов. А нейтрино обнаружить намного легче, чем гравитоны. Фактически, мы можем вычислить, что для каждого гравитона, обнаруженного в этом сценарии, будут обнаружены около 1033 нейтрино. Как результат — мы никогда не сможем найти один гравитон среди 1033 нейтрино.
Вы скажете, что мы можем построить нейтринный щит и заблокировать нейтрино. Но такой щит должен иметь толщину в несколько световых лет, и если вы попытаетесь сделать его достаточно плотным, чтобы он поместился между звездой и детектором, он схлопнулся бы в чёрную дыру...
Итак, даже с безумно продвинутой футуристической технологией было бы просто невозможно обнаружить гравитон.
Однако мы смогли обнаружить гравитационные волны. Об этом удивительном открытии, сделанном в результате эксперимента LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory), было объявлено 11 февраля 2016 года. Гравитационные волны состоят из множества гравитонов, точно так же, как электромагнитные волны состоят из множества фотонов. Типичная гравитационная волна состоит из примерно 1 000 000 000 000 000 гравитонов на кубический сантиметр, поэтому её, очевидно, гораздо легче обнаружить, чем один гравитон.
С другой стороны, у нас определенно нет технологии для обнаружения отдельных гравитонов, и, если не будет найден какой-то новый изобретательный способ их обнаружения, мы никогда не сможем сделать этого даже с гораздо более продвинутыми технологиями.
Каковы последствия такой технологической невозможности обнаружения гравитонов? Оказывается, это не имеет значения.
Во-первых, где именно в физике появляются гравитоны? Физики-теоретики пытаются объединить общую теорию относительности и квантовую механику в единую теорию, называемую «квантовой гравитацией». У нас ещё нет окончательной теории квантовой гравитации, но мы очень много над ней работаем и уже понимаем многие аспекты того, какой должна быть такая теория.
В теории квантовой гравитации гравитоны — это кванты гравитационного поля. Следовательно, квантовая гравитация будет использовать гравитоны как часть своей формулировки, точно так же, как теория квантовой электродинамики использует фотоны, которые являются квантами электромагнитного поля.
Однако мы не подтвердили квантовую электродинамику экспериментально путем регистрации фотонов. Квантовая электродинамика даёт предсказания, отличные от предсказаний классической электродинамики, и экспериментально проверив эти предсказания, мы смогли подтвердить, что электромагнитное поле действительно квантовано.
Точно так же, когда у нас, наконец, появится хороший кандидат на теорию квантовой гравитации, он должен дать предсказания, отличные от предсказаний классической гравитации. Экспериментально проверив эти предсказания, мы сможем подтвердить, что гравитационное поле квантовано.
Другими словами, нам нужно не обнаруживать гравитоны, а проверить предсказания теории квантовой гравитации, как только у нас появится такая теория. Это косвенно подтвердит существование гравитонов.
По материалам публикации (англ.).