Гравитация управляет движением планет и галактик, но ее природа остается неизвестной. Физики десятилетиями пытаются объединить общую теорию относительности Эйнштейна с квантовой механикой. Решение этой задачи откроет дверь к пониманию черных дыр, Большого взрыва и структуры пространства-времени. Сегодня новые эксперименты дают надежду на прорыв, который раньше считался невозможным.
Две главные теории физики — общая теория относительности (ОТО) и квантовая механика — описывают Вселенную на разных масштабах. ОТО работает с массивными объектами: звездами, черными дырами, галактиками. Она объясняет гравитацию как искривление пространства-времени. Квантовая механика управляет миром элементарных частиц, где действуют электромагнитные, слабые и сильные взаимодействия. Эти силы переносят частицы: фотоны, W- и Z-бозоны, глюоны.
Проблема в том, что ОТО и квантовая механика противоречат друг другу. Пространство-время в ОТО непрерывно и предсказуемо, а в квантовом мире всё состоит из дискретных частиц с неопределенными свойствами. При попытке объединить теории уравнения дают бессмысленные результаты, особенно в экстремальных условиях — например, в сингулярности Большого взрыва.
Физики ищут теорию квантовой гравитации, которая примирит оба подхода. Основные кандидаты — струнная теория и петлевая квантовая гравитация. Первая заменяет частицы крошечными вибрирующими струнами, смягчая сингулярности. Вторая рассматривает пространство-время как сеть дискретных «петель». Но ни одну из теорий нельзя проверить экспериментально — для этого требуются энергии, недостижимые даже на Большом адронном коллайдере (БАК).
Гравитон: неуловимая частица
Если гравитация квантовая, она должна переноситься частицей — гравитоном. Его существование предсказали еще в 1930-х, но обнаружить гравитон не удается из-за слабости гравитации. Сила притяжения между двумя протонами в 10³⁶ раз слабее электромагнитного взаимодействия. Чтобы зафиксировать гравитон, нужен детектор размером с Юпитер, который коллапсирует в черную дыру.
В 2022 году группа Игоря Пиковского из Стокгольмского университета озвучила новый подход. Ученые предложили охладить металлический стержень до абсолютного нуля, переведя его атомы в единое квантовое состояние. Лазерный импульс создавал суперпозицию — стержень одновременно колебался и оставался неподвижным. Малейшее воздействие, даже от одного гравитона, должно вызывать резонанс.
Однако Дэниел Карни из Национальной лаборатории в Беркли раскритиковал идею. Он показал, что сигнал от гравитона неотличим от слабой классической гравитационной волны. Даже обсерватория LIGO, фиксирующая рябь пространства-времени с точностью до 10⁻¹⁹ метров, не способна выделить квантовый эффект. Пиковский признает: однозначное доказательство существования гравитонов может занять более 100 лет.
Квантовая запутанность и гравитация
Альтернативный подход связан с квантовой запутанностью — явлением, при котором частицы влияют друг на друга мгновенно, независимо от расстояния. В 2017 году команды Влатко Ведрала (Оксфорд) и Соугато Бозе (Университетский колледж Лондона) предложили использовать это свойство. Если два изолированных объекта запутаются под действием гравитации, это докажет ее квантовую природу.
Эксперимент требует создать квантовую суперпозицию для макроскопических масс. Проблема в том, что крупные объекты быстро теряют квантовые свойства из-за взаимодействия с окружающей средой. В 2019 году Маркус Арндт из Венского университета поместил в суперпозицию 2000 атомов — рекорд для того времени. Но для гравитационных экспериментов нужны объекты в миллион раз тяжелее.
Маркус Аспельмейер, другой физик из Вены, планирует провести эксперимент с микрометровыми золотыми сферами. Их изолируют от внешних воздействий и попытаются запутать через гравитационное взаимодействие. Однако даже его группа оценивает сроки в 15–20 лет. Главная сложность — отделить гравитационные эффекты от электромагнитных шумов.
Полуклассические теории: а что если гравитация не квантовая?
Некоторые физики, включая Джонатана Оппенгейма из Университетского колледжа Лондона, рассматривают альтернативу: гравитация может оставаться классической, а квантовая механика — нарушаться на макроуровне. В таких моделях пространство-время порождает «шум», который ограничивает точность измерений.
В 2023 году Оппенгейм показал: если гравитация классическая, любые эксперименты с массами в суперпозиции будут давать случайные погрешности. Проверить это можно, повышая точность гравитационных измерений. В 2021 году группа Аспельмейера зафиксировала ускорение в 10⁻¹¹ g, созданное миллиметровыми золотыми шариками. Для проверки гипотезы нужна точность в 10⁻¹⁴ g — достижимая через 10–15 лет.
Критика
Скептики указывают на фундаментальные ограничения предлагаемых экспериментов. Запутывание масс требует изоляции от внешних шумов, что практически невозможно в земных условиях. Даже если корреляции обнаружат, их могут объяснить неизвестные классические эффекты. Эксперименты Оппенгейма тоже не дадут однозначного ответа: шум может возникать из-за технических погрешностей, а не природы гравитации.
Кроме того, полуклассические теории остаются умозрительными. Они не предлагают конкретных механизмов, как гравитация «выбирает» положение массы в суперпозиции. Без математически строгой модели такие идеи трудно проверить.
Наконец, даже успешный эксперимент не подтвердит конкретную теорию вроде струнной или петлевой гравитации. Потребуются дополнительные исследования, которые растянутся на десятилетия.
Post Scriptum
Физики впервые приблизились к экспериментальной проверке квантовой гравитации. Даже отрицательный результат прояснит природу пространства-времени: либо гравитация квантовая, либо квантовая механика требует пересмотра. Технологии вроде сверхточных интерферометров и квантовых охлаждающих систем делают эти вопросы разрешимыми. Как сказал Оппенгейм: «Природа не интересуется мнениями теоретиков».
-----
Если понравился материал и вы считаете его познавательным и стоящим вашего внимания, вы можете поддержать автора «трудовым рублем» по ссылке ниже 👇👇👇 либо нажать на кнопку «Поддержать» чуть ниже этого сообщения (с правой стороны).
