27 марта 2024 года международная группа физиков опубликовала результаты экспериментального обнаружения частицы переносчика гравитации. Если гравитон действительно существует, это открытие решает самую серьезную проблему современной физики. Впрочем, есть целый паровоз нюансов, из-за которых праздновать, кажется, преждевременно.
Зачем нам квантовая гравитация?
У природы есть четыре главных взаимодействия. Три из них - электромагнитное, слабое и сильное - гарантировано квантовые, то есть используют посредника для передачи силы. Электричество, свет и интернет доносит о нас поле, порождаемое танцем взаимного притяжения и отталкивания электронов и протонов в материалах. Квант электромагнитного поля - фотон - посредник передачи силы. Он летит с конечной скоростью и выделяется только порционно и это можно измерить. Распадом частиц управляет поле слабого взаимодействие, а его кванты - W и Z бозоны. Сила, которая удерживает части атомного ядра вместе передается через глюоны. Среди частиц отвечающих за любые взаимодействия есть обладающие инертной массой, и у массы есть свое поле и его квант - бозон Хиггса. В общем, можно выделить массу как отдельное взаимодействие, но она глубоко интегрирована во все остальные.
А вот про гравитацию такого сказать нельзя. Она и не квантовая и не сила вовсе. Абсолютно все расчеты, имеющие практический смысл в физике на данный момент сделаны исходя из теории относительности Эйнштейна, которая категорически не квантуется. Притяжение объектов, обладающих гравитационной массой - это иллюзия, возникающая в искривленном псевдоевклидовом четырехмерном пространстве. Для этого не нужен посредник. Гравитационные волны, предсказанные Эйнштейном должны состоять из чистого ничего. Пространство не должно делиться на порции ни в каких смыслах.
Однако, многие физики, начиная с самого Эйнштейна хотели создать единую теорию поля - какую-нибудь математическую концепцию, где все взаимодействия работали бы одинаково. Электромагнитное и слабое взаимодействие легко объединились в стройную электрослабую теорию. К ним не без труда, но успешно, добавилось сильное взаимодействие. А вот задача построения теории поля квантовой гравитации не решена на данный момент даже на бумаге. И нужно ли ее решать - не очевидно. Может быть гравитация не имеет никакой квантовой природы и описывается иначе. Универсальный подход формализации мира - это удобно. С другой стороны, квантовые чудеса однажды закончатся, полезнее было бы иметь принципиально другой источник чудес для фантастических изобретений будущего.
Как доказать что гравитация квантуется?
Обнаружить квантование гравитационной волны
Единственный способ поставить точку в вопросе о квантовой гравитации - обнаружить как что угодно изменятся дискретно в гравитационных волнах. Такую задачу должна решить гравитационная обсерватория нового поколения Cosmic Explorer. Будет достроена она когда-нибудь в будущем, а когда получит убедительные результаты - совершенно неизвестно.
Получить гравитон в коллайдере
Несмотря на то что квантовая гравитация еще не готова как теория, у нее уже есть первые предсказания - параметры переносчика гравитационного поля, если он существует. Это безмассовая (наверное) частица без заряда. Такими же свойствами обладают, например, фотон и глюоны. Но предсказана гравитону и уникальная черта - спин равный двум. До конца марта 2024 года таких частиц обнаружено не было. Но было бы здорово получить их в коллайдере и поизучать подробнее. Существование такой частицы напрямую не говорит о структуре гравитации, но дает серьезный на это намек.
Измерить спин равный 2 экзотическим способом
Совсем не связанные с гравитацией эксперименты могут продемонстрировать спин частицы равный двум, что и произошло в опыте с квантовым эффектом Холла. Это довольно расплывчатый намек, который точно пока не собирает единый пазл из квантовой теории поля. Кроме того, само измерение довольно сложное и у физиков еще есть время повторить или опровергнуть этот результат. Так же, можно найти и другую интерпретацию результатам измерений.
Суть эксперимента
Эффект Холла - хорошо известное электромагнитное явление. В проводнике по которому течет ток в магнитном поле заряды отклоняются к одной из сторон и создают напряжение. На эффекте Холла работаю электростатические двигатели спутников Starlink и OneWeb.
Если сделать проводник толщиной в атом, буквально двухмерным, и охладить практически до абсолютного нуля, в напряжении на сторонах можно будет заметить квантовые эффекты в макроскопическом масштабе. В эксперименте физики из США, Германии и Китая изучили как фотоны рассеиваются при прохождении сквозь плоский образец, раскрывая основные свойства материала. Измерения выявили частицы - "конденсированные аналоги" гравитонов.
Сложность опыта в том что двухмерный материла должен обладать минимальной энергией и температурой, а лазер может его нагреть. Коме того, результаты косвенных измерений можно трактовать по-разному. Обнаруженный эффект может получить альтернативные объяснения.
Что еще посмотреть по теме?
Автор статьи - физик Георгий Тимс для проекта «Физика для гуманитариев». При копировании, пожалуйста, указывайте авторство. Социальные сети проекта: Телеграмм канал, Ютуб канал