Физики разрабатывают лабораторные тесты, которые помогут понять истинную природу гравитации.
Квантовую физику часто называют самой успешной научной теорией в истории. За 100 лет своего существования она объяснила всё — от периодической таблицы химических элементов до того, как светят звёзды. Но есть одно фундаментальное явление, которое она не может объяснить: гравитацию.
«Вопрос о том, как сочетаются квантовая механика и гравитация, является одной из важнейших нерешённых проблем в физике», — говорит Кэтрин Зурек, физик-теоретик из Калифорнийского технологического института (Калтех) в Пасадене.
Поколения исследователей пытались создать квантовую теорию гравитации, и в результате их работы появились сложные математические конструкции, такие как теория струн. Но физики-экспериментаторы не нашли конкретных подтверждений ни одной из них и даже не уверены, как могли бы выглядеть такие подтверждения.
Теперь есть ощущение, что прорыв может быть уже не за горами. За последнее десятилетие многие исследователи стали более оптимистично относиться к возможности проверить истинную природу гравитации в лабораторных условиях. Ученые предложили провести такие эксперименты и работают над повышением точности методов, чтобы сделать их возможными. «Значительно возросли как экспериментальные возможности, так и наше теоретическое понимание того, что мы на самом деле узнаем из таких экспериментов», — говорит Маркус Аспельмайер, физик-экспериментатор из Венского университета и один из первопроходцев в этой области.
Некоторые из предложенных тестов предполагают использование экспериментальных лазеров, которые можно будет создать через несколько лет. Другие требуют настолько масштабных манипуляций с материей, что они могут оказаться недостижимыми. Одним из шокирующих результатов может стать то, что гравитация всё-таки не является квантовым явлением.
Тем не менее многие исследователи считают, что эта область наконец-то встала на правильный путь. «Нужно искать, если хочешь что-то найти», — говорит Ли Маккаллер, физик-экспериментатор из Калифорнийского технологического института.
Теории гравитации
В настоящее время общепринятой теорией гравитации является общая теория относительности Альберта Эйнштейна. Она показала, что гравитация — это способ, с помощью которого один массивный объект влияет на другой, искривляя пространство-время, в котором они движутся. Это похоже на то, как бильярдные шары деформируют упругую поверхность батута и меняют траекторию движения друг друга.
Общая теория относительности — это классическая теория, в отличие от квантовой. В квантовой физике частица описывается как размытое облако возможностей, и её положение приобретает смысл только после измерения. Но теория Эйнштейна рассматривает частицы как объекты, которые существуют в определённой точке пространства в любой момент времени и движутся по чётко заданным траекториям.
По словам Фламиниа Джакомини, физика из Швейцарской высшей технической школы Цюриха (ETH), исследователи вкладывают в понятие «квантовая гравитация» самые разные значения. Ученые в целом согласны с тем, что любая квантовая теория гравитации должна включать в себя такие особенности, как объекты с нечетким распределением вероятностей, а не с определенным местоположением. Некоторые теории также предполагают, что пространство-время состоит из дискретных частей («квантов»), в отличие от гладкого пространства-времени в теории Эйнштейна, но это ни в коем случае не означает, что гравитация квантовая, говорит она.
В ходе первых попыток создать квантовую теорию гравитации в 1960-х годах физики-теоретики пытались применить общую теорию относительности к математической процедуре, которая преобразует классические уравнения в квантовые (а объекты с чётко определёнными свойствами — в размытые вероятностные облака). Хотя этот трюк хорошо сработал для другой фундаментальной силы природы — электромагнетизма, в случае с теорией Эйнштейна он дал бессмысленные результаты, например, величины, стремящиеся к бесконечности.
Попытки создать квантовую теорию гравитации с нуля привели к получению некоторых математически непротиворечивых результатов. Наиболее популярной попыткой является теория струн, согласно которой элементарные частицы на самом деле представляют собой крошечные струны, вибрирующие в невидимых измерениях пространства. В принципе, это могло бы разрешить некоторые парадоксы в теории известных элементарных частиц и предсказать существование новых элементарных частиц, которые ведут себя так, как физики ожидают от квантов гравитации, или «гравитонов».
Это действительно позволяет сделать гравитацию квантовой теорией. Однако исследователи до сих пор не смогли найти экспериментальные подтверждения некоторых версий теории струн. То же самое можно сказать и о петлевой квантовой гравитации — ещё более радикальном подходе, при котором ткань пространства-времени (а не только живущие в ней элементарные частицы) заменяется крошечными петлями.
Некоторые физики разочаровались из-за отсутствия перспектив для проверки того, что они считают надуманными конструкциями, такими как теория струн. «Мне кажется, люди теряют к ней интерес», — говорит Иветт Фуэнтес, физик-теоретик из Саутгемптонского университета в Великобритании.
Переходим к экспериментам
Вместо того чтобы разрабатывать новые теории квантовой гравитации, некоторые исследователи надеются с помощью лабораторных экспериментов найти ответы на фундаментальные вопросы о том, имеет ли гравитация классическую или квантовую природу.
«У нас нет никаких экспериментальных доказательств того, как гравитация становится квантовой или является ли гравитация вообще квантовым явлением», — говорит физик-экспериментатор Ричард Хаул из Ройал-Холлоуэйского колледжа Лондонского университета.
«Для меня самым крутым был бы эксперимент с ответами «да» или «нет», — говорит Аспельмейер.
Один из важнейших вопросов, который волнует исследователей, касается квантового феномена «суперпозиции», при котором объект может находиться в двух состояниях одновременно, например вращаться в противоположных направлениях или двигаться по двум разным траекториям. В любой квантовой версии общей теории относительности влияние частицы на бильярдный шар предположительно приводит к тому, что само пространство-время находится в состоянии суперпозиции, когда пространство искривляется по одной траектории и одновременно по другой. Теоретики задаются вопросом, какое гравитационное притяжение должен испытывать второй шар: будет ли он падать одновременно по двум траекториям, разделяя свой путь на две части? Или, если этой квантовой суперпозиции не произойдёт, возможно, он упадёт в какую-то промежуточную точку, где два притяжения будут усреднены?
С другой стороны, не заставляет ли само присутствие второго шарика первый шарик «выбирать», по какому пути ему двигаться, подобно тому как измерительный прибор заставляет частицу знать своё положение?
В последнее десятилетие теоретики осознали, что эти идеи можно различить экспериментальным путём с помощью такого специфического квантового явления, как запутанность. В квантовой механике, когда два объекта взаимодействуют, они могут перейти в общее «запутанное» состояние. Это означает, что когда свойство первого объекта измеряется и приобретает определённое значение, соответствующее свойство другого объекта также устанавливается.
Основная идея заключается в том, что если два объекта могут запутаться из-за взаимного гравитационного притяжения при отсутствии какого-либо другого взаимодействия, то гравитация должна иметь квантовую природу.
Всё это звучит абстрактно, но исследователи разрабатывают множество схем для реализации этой идеи на практике.
В одном из экспериментов, предложенных Аспельмейером, крошечная частица в вакууме помещается в суперпозицию состояний, соответствующих разным положениям. Затем исследователи проверяют, запуталась ли с ней вторая частица, находящаяся поблизости, которая испытывает гравитационное притяжение первой частицы, но не испытывает других воздействий.
Аспельмейер был одним из первых, кто усовершенствовал методы, позволяющие это сделать, хотя полноценный эксперимент пока провести невозможно.
Одна из основных проблем заключается в том, что чем больше объект, тем сложнее поместить его в суперпозицию местоположений. В конце концов, такие эффекты никогда не наблюдаются в макроскопических масштабах повседневной жизни.
На данный момент исследователи добились этого с молекулами, состоящими из тысяч атомов, и совершили значительный прорыв в получении относительно крупных объектов, таких как крошечные стеклянные сферы, левитирующие с помощью лазерных лучей, которые демонстрируют другие аспекты квантового поведения. Важным шагом стало замедление частиц до такой степени, что их движение приобретает квантовую природу, отмечает Аспельмейер: например, они приобретают дискретные энергетические уровни, когда оказываются в электромагнитном поле. Впервые это удалось сделать в 2020 году.
Эксперимент, о котором мечтал Аспельмейер, потребовал бы, чтобы два объекта не только вели себя как квантовые объекты, но и были достаточно массивными, чтобы оказывать существенное гравитационное воздействие друг на друга. Поскольку гравитация — очень слабая сила, для этого потребовались бы массы не менее 22 микрограммов, состоящие из квинтиллионов атомов.
Аспельмейер пока не может измерить крошечную гравитационную силу, которую создают эти объекты. В 2021 году он сообщил, что ему удалось сделать это для гораздо более крупных частиц массой 90 миллиграммов. Он прикрепил две такие частицы к концам крошечной палочки, которая была подвешена горизонтально на нити, прикреплённой к её середине. Затем он поднёс третью частицу массой 90 мг к одному из концов и увидел эффект этого гравитационного притяжения, измерив вращение палочки.
Сложность измерения малых объектов и их гравитационных полей заключается в том, что их очень трудно изолировать от других взаимодействий, которые, как правило, намного сильнее гравитации. Такая изоляция необходима для эксперимента, который хочет провести Аспельмейер, чтобы исследователи могли быть уверены, что любой наблюдаемый ими эффект действительно вызван только гравитацией.
Сугато Бозе, физик-теоретик из Университетского колледжа Лондона (UCL), и другие учёные предложили провести соответствующий эксперимент и получили финансирование для его проведения. Идея состоит в том, чтобы поместить частицы в состояние свободного падения: исследователи предлагают поместить микроскопический кристалл алмаза в суперпозицию, при которой он будет падать в двух параллельных направлениях, и проделать то же самое с другим аналогичным кристаллом. (В каждом кристалле это достигается за счёт наложения одного из его спиновых состояний в суперпозицию, а затем применения магнитных полей; кристаллы отклоняются в зависимости от того, в какую сторону направлены их спины, потому что спин — квантовое свойство субатомных частиц — действует примерно как крошечный стержневой магнит.) В общей сложности будет четыре пути, параллельных друг другу, которые приведут к тому, что два кристалла окажутся на разном расстоянии друг от друга и, следовательно, будут находиться в суперпозиции, испытывая гравитационное притяжение разной интенсивности.
Затем каждый кристалл будет объединён в один путь, и считывание их квантовых состояний покажет, стали ли они запутанными. Такой результат, согласно рассуждениям, мог быть достигнут только с помощью гравитации. Однако Бозе говорит, что каждый из этих этапов будет чрезвычайно сложным, и может пройти много десятилетий, прежде чем экспериментальные методы позволят проверить эту гипотезу. (Другие команды выдвигали аналогичные предложения.)
Другие способы проверки силы тяжести
Хотя Бозе и другие учёные считают, что способность создавать квантовую запутанность является ключом к доказательству того, что гравитация имеет квантовую природу, другие утверждают, что реальность может быть более сложной.
«На самом деле вы не доказываете, что гравитация квантовая. Вы создаёте некую модель того, что, по вашему мнению, означало бы отсутствие квантовой природы гравитации, а затем пытаетесь это опровергнуть», — говорит Дэниел Карни, физик-теоретик из Национальной лаборатории имени Лоуренса в Беркли в Калифорнии.
Если гравитация может запутывать объекты, говорит он, то это определённо не классическое явление, «но вопрос о том, как это влияет на структуру гравитационного поля в целом, остаётся открытым».
Другие группы разработали опыты для проверки квантовости гравитации без запутывания. Один из них, разработанный Хоулом совместно с Фуэнтесом и теоретиком Роджером Пенроузом из Оксфордского университета, Великобритания, должен был бы удерживать облако холодных атомов в единственном квантовом состоянии, называемом конденсатом Бозе-Эйнштейна (BEC). Тогда гравитационное притяжение облака заставило бы его эволюционировать по-разному, в зависимости от того, является ли гравитация квантовой или классической. В частности, классическая гравитация никогда не приведёт к тому, что распределение атомов в БЭК изменится с колоколообразного (то есть с одним пиком) на многопиковое. По словам Хаула, можно было бы измерить, происходит ли такой сдвиг, с помощью другого БЭК.
Экспериментальная сложность заключается в том, что конденсаты Бозе — Эйнштейна обычно состоят из миллионов атомов, но для того, чтобы гравитационное притяжение можно было измерить, это число должно увеличиться в 10 миллионов раз, говорит Фуэнтес. Однако различные квантовые технологии могут смягчить это требование.
Лазерный тест столешницы
Некоторые идеи, связанные с квантовой гравитацией, можно было бы легче проверить в лабораторных условиях. Одна из них — это квантовая теория гравитации другого типа, разработанная Зурек и её коллегами. В отличие от теории струн или других попыток квантовать общую теорию относительности, эта теория берёт за основу базовые симметрии общей теории относительности, такие как законы, определяющие изменение времени при смене системы отсчёта наблюдателя.
Зурек говорит, что, согласно её теории, если бы гравитация имела квантовую природу, это привело бы к наблюдаемым явлениям, таким как постоянное случайное колебание в ткани пространства-времени.
Маккаллер разрабатывает экспериментальный тест под названием «Гравитация из квантовой запутанности пространства-времени» (GQuEST), принципиальная схема которого будет готова в следующем году. На первый взгляд GQuEST будет похож на настольную версию лазерной интерферометрической гравитационно-волновой обсерватории (LIGO) — детекторов, которые обнаружили гравитационные волны в 2015 году. В детекторе LIGO лазерный луч разделяется на два и направляется по двум рукавам, расположенным в форме буквы L. Затем два луча отражаются от зеркал и возвращаются, чтобы встретиться в центральной точке.
Маккаллер, который был одним из ведущих специалистов в области повышения чувствительности LIGO, сейчас использует аналогичную схему для обнаружения случайных расширений пространства. Теория Зурека, хотя она всё ещё находится в разработке, даёт точные прогнозы относительно такого сигнала: он будет выглядеть как редкие фотоны с характерной частотой ниже частоты лазера. Маккаллер говорит, что для извлечения таких фотонов из луча ему потребуется отфильтровать их с невероятной эффективностью, как если бы он мог взять литр воды и выделить из него одну молекулу. «Все говорят: «Поверю, когда увижу», — говорит он, но при этом уверен, что у него всё получится.
Постквантовые теории
Вполне возможно, что классическая гравитация может сосуществовать с квантовой физикой. Эта идея долгое время считалась еретической, и исследователи утверждали, что она логически невозможна.
Но сейчас к этому относятся более серьёзно. Отчасти благодаря модели, разработанной Джонатаном Оппенгеймом, теоретиком, который также работает в Университетском колледже Лондона. В его «постквантовой» теории гравитация и пространство-время являются классическими, но подвержены случайным флуктуациям.
Это происходит за счёт того, что физика по своей сути становится недетерминированной, что многим физикам трудно принять, но это также позволяет обойти логические противоречия, обнаруженные более ранними исследователями, которые исходили из того, что детерминизм не может быть нарушен. «Мы поняли, что пространство-время и квантовая механика могут быть согласованы, если допустить нарушение предсказуемости», — говорит Оппенгейм. В то же время теория Оппенгейма, по его словам, может разрешить ещё один парадокс: почему чёрные дыры, медленно испаряясь, как будто стирают информацию. Это явление было предсказано полвека назад покойным физиком Стивеном Хокингом. Это тоже кажется нарушением детерминизма, но в теории Оппенгейма это уже не парадокс.
Помимо разработки своей теории, Оппенгейм предложил способы её проверки. Один из них заключается в том, чтобы обнаружить признаки флуктуаций гравитационного поля в виде крошечных случайных толчков в движении свободно падающих объектов.
Оппенгейм и другие учёные искали признаки такого шума в данных, собранных с 2015 по 2017 год на борту зонда LISA Pathfinder Европейского космического агентства, который удерживал объекты в состоянии свободного падения и проводил измерения в качестве тестовой площадки для последующих попыток обнаружения гравитационных волн. Они не нашли никаких признаков, но это может означать, что зонд был недостаточно чувствительным для обнаружения этих сигналов. Оппенгейм говорит, что более строгие тесты могут быть проведены в рамках эксперимента Маккаллера, а также в рамках полноценной миссии LISA, целью которой является обнаружение гравитационных волн в космосе после запуска в 2030-х годах.
Карни вместе со своими коллегами разработал теорию, которая объясняет гравитацию без привлечения квантовой механики (препринт). Его модель основана на идее, появившейся несколько десятилетий назад, согласно которой гравитация — это результат стремления природы к беспорядку, или, как говорят физики, к повышению энтропии.
Как и другие неквантовые объяснения, это привнесло бы в мир элемент непредсказуемости. Карни работает с физиком-экспериментатором Хольгером Мюллером из Калифорнийского университета в Беркли над проверкой некоторых точных предсказаний модели путём поиска случайных колебаний в свободном падении атомов в вакууме. Карни говорит, что всё равно готов поспорить, что гравитация квантовая, и считает это и другие неквантовые объяснения маловероятными. Но, по его словам, эксперимент стоит провести. «Можно всерьёз задуматься о том, чтобы проверить это. Для меня это очень волнительно».
Также возможно, что гравитация не является ни классическим, ни квантовым явлением и требует совершенно новых идей, считает Сабина Хоссенфельдер, независимый физик из Франкфурта, Германия.
А некоторые говорят, что всё ещё можно найти способы проверить даже теорию струн. «Очень сложно провести эксперименты, которые гарантированно дадут вам ответ», — говорит Джозеф Конлон, физик-теоретик из Оксфордского университета, — хотя можно и рискнуть.
Астрофизики, изучающие чрезвычайно длинноволновое гравитационное излучение путём наблюдения за пульсирующими нейтронными звёздами, например, ищут признаки гипотетических продуктов теории струн, называемых космическими струнами, которые могут простираться через всю Вселенную. Природа струн может проявиться в чрезвычайно высоких энергиях, характерных для Большого взрыва. Это также могло привести к возникновению гравитационных волн, на этот раз с очень короткими длинами волн, которые можно будет обнаружить с помощью настольных устройств, разрабатываемых в настоящее время.
Для реализации большинства предложенных экспериментов потребуется не менее десяти лет, а некоторые могут занять гораздо больше времени. Но после того, как фундаментальная физика, казалось, надолго зашла в тупик, многие теперь испытывают больше надежд. «Я думаю, что это новая эра в исследованиях квантовой гравитации, — говорит Оппенгейм. — Теперь мы можем вести диалог с природой, а не просто строить модели вслепую».
Источник: Nature