Представьте пустоту. Абсолютную пустоту. Что остается? Саму основу реальности — пространство-время. Эйнштейн описал его как гладкую, податливую ткань, искривляемую материей. Но что, если эта ткань — иллюзия? Что, если в самом сердце мироздания пространство-время не гладкое и непрерывное, а состоит из мельчайших, невидимых квантовых «пикселей», как песчинки на бескрайнем пляже? Физики столкнулись с одним из самых фундаментальных вопросов: классическое пространство-время Эйнштейна или квантовое? Ответ перевернет наши представления о Вселенной. И сейчас, как никогда, он близок благодаря шести дерзким экспериментам.
Что мы знаем о пространстве-времени? В классической физике, вершиной которой стала Общая теория относительности Альберта Эйнштейна, пространство-время — не просто сцена для событий. Оно динамично. Масса и энергия не просто существуют в нем — они формируют его, создавая то, что мы ощущаем как гравитацию. Представьте резиновый лист: положите тяжелый шар — он прогнется. Так и планеты искривляют пространство-время вокруг себя. Ключевое свойство этой классической картины — непрерывность и гладкость. Уравнения Эйнштейна описывают пространство-время как плавную, лишенную изломов и зернистости субстанцию.
Однако ХХ век принес революцию — квантовую механику. Она управляет миром элементарных частиц и полей, описывая их поведение в терминах дискретности и вероятностей. В квантовом мире энергия, свет, даже угловой момент существуют не непрерывно, а порциями — квантами. Три фундаментальные силы природы (электромагнетизм, сильное и слабое ядерные взаимодействия) подчиняются квантовым законам. Гравитация, описываемая классической ОТО, оказалась белой вороной.
Возник логичный вопрос: если все вокруг квантовое, может ли пространство-время, эта самая основа, оставаться классическим? Большинство физиков склоняются к мысли, что нет. Они предполагают: на самом микроскопическом уровне пространство-время должно быть квантовано, то есть состоять из мельчайших неделимых элементов — своеобразных «атомов» пространства-времени. На масштабах нашего повседневного опыта эта зернистость незаметна — все сливается в гладкую картину, как пиксели на экране сливаются в изображение при взгляде издалека. Но если мы могли бы заглянуть на планковскую длину (невообразимо малую величину порядка десяти в минус тридцать пятой степени метра), мы увидели бы бурлящую, дискретную структуру.
Проблема в доказательствах. Непосредственно «увидеть» эти гипотетические пространственно-временные пиксели невозможно — их предполагаемый размер на много порядков меньше, чем способны разрешить любые мыслимые инструменты. Поэтому физики идут окольными путями, разрабатывая хитроумные эксперименты, способные уловить косвенные следы квантовой природы пространства-времени. Шесть таких стратегий сейчас вышли на передний край науки.
1. Медленные нейтрино: Космические скоростные гонки
В июне этого года работа Джованни Амелино-Камелии и его коллег вызвала настоящий переполох в физическом сообществе. Ученые из Университета Неаполя Федерико II представили данные, которые можно интерпретировать как намек на квантование пространства-времени. Их инструмент — неуловимые фундаментальные частицы нейтрино.
Нейтрино обладают крошечной массой, но почти не взаимодействуют с веществом. Мириады этих частиц, рожденные в далеких галактиках, беспрепятственно пронизывают Вселенную и нас самих. В классическом, гладком пространстве-времени Эйнштейна все нейтрино, независимо от их энергии, должны двигаться со скоростью, очень близкой к скорости света. Однако некоторые теории квантовой гравитации предсказывают иное. Они предполагают, что дискретная структура пространства-времени может создавать едва уловимое сопротивление — как вязкая среда, которая замедляет частицы. Причем замедление зависит от энергии: высокоэнергетические нейтрино могут замедляться чуть иначе, чем низкоэнергетические.
Амелино-Камелия сравнивает этот эффект с призмой. Призма разделяет белый свет в радугу, потому что разные частоты (цвета) замедляются в стекле по-разному. Пространственно-временное «замедление» неизмеримо слабее. Чтобы его заметить, нейтрино должны проделать колоссальный путь. «К счастью, Вселенная достаточно велика», — замечает Амелино-Камелия.
Ученые обратились к данным обсерватории IceCube, расположенной в толще антарктического льда. Они проанализировали направление прилета примерно восьми тысяч самых высокоэнергетических нейтрино, зарегистрированных IceCube. Цель — найти среди них группы, пришедшие из одной точки, например, от мощного космического взрыва. Если пространство-время классическое, все нейтрино из одной вспышки придут одновременно. Если же оно квантовое и замедляет частицы в зависимости от их энергии, более «быстрые» нейтрино прилетят раньше «медленных». Амелино-Камелия утверждает, что его группа нашла именно такие запаздывающие группы нейтрино, что указывает на возможное квантование.
Однако реакция коллег была скептической. Критики указывают на малое число таких идентифицированных групп нейтрино и на отсутствие в публикации оценки возможных погрешностей измерений. Амелино-Камелия парирует: время между вспышкой и приходом нейтрино известно настолько хорошо, что погрешности были пренебрежимо малы для отображения. Тем не менее, он признает — необходимы дополнительные данные. «Если наши выводы не растворятся с новыми данными, нам очень повезет, — говорит он. — И нам будет о чем поговорить».
2. Квантовая пена: В поисках бурлящей основы
«Если бы я могла увеличить масштаб, пространство и время предстали бы хаотичным нагромождением флуктуаций, — описывает свою область интересов Кэтрин Зурек, физик из Калифорнийского технологического института. — Но на больших расстояниях эти флуктуации усредняются, и мы видим гладкую картину».
Зурек фокусируется на этих гипотетических микроскопических колебаниях пространства-времени. Их источником могли бы быть гравитоны — гипотетические кванты гравитационного поля. Согласно квантовой механике, частицы могут спонтанно рождаться из вакуума и почти мгновенно исчезать. Зурек предполагает, что гравитоны ведут себя так же, создавая на планковских масштабах бурлящую «квантовую пену». Ее вопрос: можно ли в определенных условиях усилить эти флуктуации до уровня, доступного для измерения?
Ответ, по ее мнению, положительный, но при одном важном условии — если наша Вселенная голографична. Голографический принцип, грубо говоря, утверждает: хотя мы воспринимаем мир как трехмерный, вся информация, описывающая его содержимое, может быть закодирована на двумерной поверхности, его границе. В мае 2022 года Зурек показала, что в голографической Вселенной флуктуации квантовой пены могут быть усилены до измеримой величины.
На основе этого она предложила эксперимент с интерферометром. Этот прибор разделяет луч лазера на два пути, которые затем снова сводятся вместе. При встрече лучи интерферируют — создают характерную картину из светлых и темных полос, чувствительную к малейшим изменениям длины пути. В схеме Зурек лазерный свет должен воздействовать на гравитоны (которые можно считать теми самыми пикселями пространства-времени), заставляя их двигаться согласованно, как единое колеблющееся облако. Зурек называет это гигантское облако «пикселлоном». Оно, по ее расчетам, должно искривлять траектории света вокруг себя, оставляя специфический след в интерференционной картине.
Зурек предупреждает: реализация такого эксперимента — дело отдаленного будущего. Во-первых, она сама проверяет, не противоречат ли ее предсказания уже известным законам физики. «Теория гравитации — крайне деликатная вещь», — отмечает она. Во-вторых, самый чувствительный интерферометр, имеющийся у человечества сегодня — LIGO (Лазерно-интерферометрическая гравитационно-волновая обсерватория), который первым зафиксировал гравитационные волны — возможно, недостаточно чувствителен для обнаружения эффектов квантовой пены. «Его не проектировали для таких измерений», — поясняет Зурек.
Но даже если эксперимент на LIGO не даст результата, Зурек уже начала сотрудничать с экспериментаторами над проектированием нового, гораздо более чувствительного интерферометра, способного на это.
3. Взвешивание фотонов: Гравитация света
Фотоны, частицы света, не имеют массы покоя. Казалось бы, гравитация не должна на них влиять. Но это не так, утверждает Заин Мехди из Австралийского национального университета в Канберре. Эйнштейн показал эквивалентность массы и энергии. Значит, фотоны, несущие энергию, также создают слабое гравитационное поле, подобно массе. При достаточно высокой энергии фотона это поле может искривлять пространство-время вокруг него. И это искривление, как считает Мехди, будет по-разному влиять на путь фотона в квантованном и классическом пространстве-времени.
«Квантованная пространственно-временная среда может порождать странные эффекты», — говорит Мехди. В июне он и его коллеги опубликовали предсказания, основанные на этом различии.
Один предлагаемый эксперимент использует расщепленный лазерный луч. Его делят на две части, позволяя им взаимодействовать самим с собой. Когда эти два пучка снова объединяют, их интерференционная картина должна показать уникальные сигнатуры — одна соответствует квантовой гравитации, другая — классической. Другая возможная установка будет искать более тонкий статистический эффект. Благодаря особым взаимодействиям, возможным только в квантованной гравитации, может происходить редчайшее событие: три фотона аннигилируют, порождая один фотон с частотой, втрое большей, чем у исходных.
Оба эксперимента потребуют сверхмощных лазеров и специальных зеркал. «Когда я рассказываю экспериментаторам о возможных результатах, я вижу, как у них загораются глаза — в хорошем смысле, — делится Мехди. — Но когда я говорю, что им нужно улучшить мощность лазеров и эффективность детектирования — вот тогда их глаза загораются в плохом смысле». Реальность такова, что эксперименты Мехди пока находятся за гранью наших технологических возможностей. Однако стремительное развитие смежных технологий, таких как детекторы гравитационных волн, дает надежду, что необходимые инструменты появятся в обозримом будущем.
4. Запутанные массы: Гравитация как квантовый клей
Если гравитация — фундаментальная квантовая сила, подобная электромагнетизму или ядерным силам, она должна проявлять квантовые свойства. Одно из самых причудливых — квантовая запутанность. Это явление, при котором свойства двух или более частиц становятся взаимосвязанными так, что измерение состояния одной мгновенно влияет на состояние другой, даже если их разделяют световые годы. Можно ли запутать объекты с помощью гравитации? Если да — это будет железным доказательством ее квантовой природы.
Долгое время такая проверка казалась фантастикой. Любая попытка измерить систему неизбежно разрушала бы ее хрупкое квантовое состояние. Однако в 2017 году Сугато Бозе из Университетского колледжа Лондона и его коллеги предложили схему настольного эксперимента, который может сработать.
Идея такова. Сначала нужно поместить относительно массивный объект (диаметром около одной тысячной миллиметра) в состояние квантовой суперпозиции. Это означает, что объект одновременно находится в нескольких состояниях (например, в двух разных точках) до момента измерения. Затем вводят второй объект, также в суперпозиции, и позволяют им падать под действием гравитации.
Если гравитация квантовая, между массами должны возникнуть гравитоны. Эти виртуальные частицы-переносчики взаимодействия смогут «запутать» две массы. «Если пары объектов удастся запутать, значит, гравитация должна иметь квантовую природу, — объясняет Бозе. — Так мы сможем проверить квантовость гравитации». Если же гравитация классическая, никакого запутывания не произойдет — массы не будут находиться в гравитационной суперпозиции, и гравитоны для их связи не появятся.
Это чрезвычайно сложный эксперимент. Квантовые состояния суперпозиции и запутанности невероятно хрупки. «Даже один атом из вакуума может разрушить весь квантовый процесс», — говорит Бозе. Однако методы управления наноскопическими объектами в квантовых состояниях постоянно совершенствуются. Бозе оптимистично оценивает перспективы: его эксперимент может стать реальностью в ближайшие пять — десять лет.
5. Постквантовая гравитация: Неожиданная альтернатива
Если бы физики заключали пари, большинство поставило бы на квантовую природу пространства-времени. Три другие силы — квантовые, почему гравитация должна быть исключением? «Но если вдуматься, это не так уж логично, — возражает Джонатан Оппенгейм из Университетского колледжа Лондона. — Мы не смогли квантовать гравитацию, несмотря на более чем век усилий».
Вместо этого Оппенгейм исследует радикальную возможность: гравитация не квантовая. По крайней мере, не полностью. Он разрабатывает теорию, в которой гравитация остается классической, но при этом совместима с квантовой природой всего остального. Он называет эту гибридную модель «постквантовой классической гравитацией».
Многие уверены: смешивать квантовые и классические системы нельзя. Оппенгейм утверждает — можно, внеся определенные поправки в квантовую теорию и ОТО. Ключевое условие для работы такой модели: взаимодействие между квантовыми частицами и классической гравитационной силой должно быть принципиально непредсказуемым.
Это значит, что кажущиеся квантовыми эффекты гравитации (например, суперпозиция массы в гравитационном поле) на самом деле могут быть следствием неопределенности положения квантовых частиц внутри этого поля. В таком случае измерение самого гравитационного поля не выдает точного положения частицы.
Оппенгейм предложил два эксперимента для проверки своей идеи. Оба вдохновлены знаменитым опытом Генри Кавендиша 1797 года, в котором тот измерил ничтожную силу гравитационного притяжения между свинцовыми сферами. Естественно, обновленные версии Оппенгейма требуют колоссально большей точности. Оба теста могут либо дать намеки в пользу постквантовой классической гравитации, либо опровергнуть ее, подтвердив квантовую природу пространства-времени.
Первый эксперимент проверяет модель Ладжоша Диоси и Роджера Пенроуза о влиянии классической гравитации на массу в суперпозиции. Они теоретизировали: для маленьких масс крошечные квантовые флуктуации гравитации должны быть заметны на фоне ее классического поля. Но для большой массы сильное гравитационное поле должно вызывать коллапс (схлопывание) ее квантовой суперпозиции в классическое состояние. Квантовая же гравитация предсказывает, что суперпозиция большой массы должна сохраняться, а не коллапсировать.
Второй тест ищет переходную точку, когда объект перестает вести себя квантово и становится классическим. Мы знаем, что фотоны могут проявлять и волновые, и корпускулярные свойства, а вот, скажем, бусины ожерелья ведут себя только как классические частицы. Вопрос: при какой массе происходит этот переход? Оппенгейм рассчитал ожидаемые точки перехода для постквантовой классической Вселенной и сейчас обсуждает возможности постановки экспериментов с практиками.
Но задача архисложная. «Поскольку гравитация так слаба, наши измерения ее крайне неточны, — признает Оппенгейм. — Она может бешено флуктуировать, а мы этого не заметим».
6. Нелокальные эффекты: Гравитационный сюрприз
В 1959 году физики Якир Ааронов и Дэвид Бом сделали удивительное предсказание: классические уравнения электромагнетизма описывают картину неполно. Существуют дополнительные квантовые эффекты. Всего пару лет спустя эксперимент подтвердил их правоту. Оказалось, заряженные частицы испытывают некий «толчок» даже в области, где классическое электромагнитное поле равно нулю. Объяснение этому феномену, известному как эффект Ааронова-Бома, нашли в нелокальных квантовых эффектах.
Но работает ли подобный эффект для частиц в гравитационных полях? Если гравитация квантовая — должно! И это можно проверить. В январе 2022 года Крис Оверстрит (ныне в Университете Джона Хопкинса в Мэриленде) и его коллеги опубликовали результаты, основанные именно на этой идее. Многие считают эти результаты наиболее убедительными на сегодня косвенными свидетельствами в пользу квантовой гравитации.
Их эксперимент использовал атомный интерферометр. Ученые создавали «фонтан» из ультрахолодных атомов и разделяли его на два пучка. Один пучок проходил рядом с большой массой, расположенной особым образом. Эта масса не создавала чистой классической гравитационной силы, действующей на атомы в пучке — ее гравитация компенсировалась. Единственным возможным источником взаимодействия оставалась квантовая гравитация. Второй пучок атомов двигался без каких-либо внешних воздействий.
«Мы хотели узнать, могут ли атомы все равно «почувствовать» присутствие исходной массы, даже без классической силы», — поясняет Оверстрит. Оказалось — могут. Когда два пучка снова соединяли, интерференционная картина показывала: фаза атомов в первом пучке сдвинулась относительно фазы атомов во втором пучке. Ученые утверждают: даже после учета всех мыслимых источников ошибок эффект оставался статистически значимым.
Пока этот эксперимент не позволяет различить постквантовую и полноценную квантовую гравитацию. Однако исследователи уверены: квантованная версия дает более полное и естественное объяснение наблюдаемому явлению. А это открывает путь для будущих, еще более точных экспериментов.
Сейчас Оверстрит надеется вывести исследования на новый уровень в Национальной ускорительной лаборатории Ферми (Фермилаб) под Чикаго. Там сейчас строят стометровый атомный интерферометр. Эта гигантская установка станет сверхчувствительным квантовым сенсором, способным искать признаки квантования гравитации. И, как вы уже догадались, первые результаты ожидаются примерно через пять — десять лет.
Post Scriptum
Гонка за разгадкой природы пространства-времени вступила в решающую фазу. Шесть принципиально разных подходов — от наблюдений за призрачными нейтрино из глубин космоса до тончайших лабораторных измерений с атомами и микроскопическими массами — нацелены на одну из величайших тайн физики. Одни эксперименты, как IceCube или атомный интерферометр Оверстрита, уже дают интригующие, хотя и пока спорные, намеки.
Другие, как установки Мехди или Зурек, требуют прорывов в технологиях мощных лазеров или сверхчувствительных детекторов.
Третьи, как тесты с запутанными массами Бозе или проверка идей Оппенгейма и Пенроуза, ждут своего часа в ближайшие пять — десять лет. Объединяет их одно: беспрецедентная точность и смелость замысла. Ответ на вопрос «Квантовая ли ткань реальности?» не просто абстрактная философия.
Он определит путь к Теории Всего, объединяющей гравитацию и квантовый мир. И судя по накалу исследований, физики находятся на пороге эпохального открытия, которое перепишет учебники.
-----
Если понравился материал и вы считаете его познавательным и стоящим вашего внимания, вы можете поддержать автора «трудовым рублем» (5336 6902 0053 5906), либо через Дзен по ссылке.