Гравитация удерживает людей на Земле, управляет движением планет и галактик, притягивает друг к другу тела с массой, но ее фундаментальная сущность до сих пор ускользает от науки. Мы чувствуем ее силу ежеминутно, но до конца не понимаем ее основу. Пока не удалось “поймать” переносчика гравитационного взаимодействия и кванта гравитационного поля — гипотетическую элементарную частицу гравитон. Ее пытаются обнаружить уже не одно десятилетие, но пока безрезультатно. Теперь группа физиков заявила, что нашла способ сделать невозможное, и запустила первую в мире установку, созданную для поимки гипотетического гравитона. Если эксперимент увенчается успехом, это навсегда изменит наши представления о ткани реальности.
Два столпа современной физики — общая теория относительности Эйнштейна и квантовая механика — описывают Вселенную на принципиально разных языках. Первая рисует гравитацию как плавное искривление пространства и времени под влиянием массы, что прекрасно объясняет движение планет и расширение космоса. Вторая описывает мир элементарных частиц и трех других фундаментальных сил (электромагнитную, сильное и слабое взаимодействие) в терминах дискретных квантов — переносчиков силы.
Чтобы создать единую «теорию всего», физики должны описать и гравитацию на квантовом уровне. Для этого еще в прошлом веке ввели понятие гравитона — гипотетической частицы, которая, подобно фотону для света, должна переносить гравитационное взаимодействие. Однако обнаружить отдельный гравитон считали принципиально невозможной задачей из-за невероятно слабого взаимодействия гравитации с веществом. Это оставляло целую область науки — квантовую гравитацию — в плену чистых теорий без экспериментальной проверки.
Ситуацию изменили два прорыва последних лет. Первый — открытие гравитационных волн обсерваторией LIGO в 2015 году. Оно подтвердило, что в природе существуют распространяющиеся возмущения метрики (так называемые «рябь» или волны в пространство-времени), а катастрофические события вроде слияния черных дыр порождают волны, которые доходят до Земли. С квантовой точки зрения, такие волны можно представить как поток из множества гравитонов, действующих согласованно.
Второй прорыв произошел в лабораториях квантовой инженерии. Физики научились охлаждать, контролировать и измерять все более крупные объекты, переводя их в квантовое состояние. В 2022 году группа Джека Харриса из Йельского университета провела знаковый эксперимент: они смогли контролировать отдельные кванты вибрации (фононы) в сверхтекучем гелии массой более нанограмма. Это доказало, что квантовые явления можно наблюдать не только на уровне атомов, но и в макроскопических системах.
В 2024 году группа физиков под руководством Игоря Пиковски из Технологического института Стивенса перевернули устоявшееся мнение. Ученые доказали, что прежние выводы о невозможности обнаружения гравитона перестали действовать в эпоху современных квантовых технологий. Они предложили объединить два метода: использовать мощные гравитационные волны от космических катаклизмов в качестве источника гравитонов, а новейшие макроскопические квантовые сенсоры — в качестве сверхчувствительной мишени.
Принцип работы гравитонной ловушки
Идея легла в основу первого в мире экспериментального проекта по прямому обнаружению гравитонов, который сейчас стартовал под руководством Пиковски.
Сердце установки — цилиндрический резонатор сантиметрового масштаба, заполненный сверхтекучим гелием. Этот гелий охлаждают до температур, близких к абсолютному нулю (ниже минус 270 градусов Цельсия), переводя его в квантовое основное состояние, где он становится идеально неподвижным. Согласно теории, когда гравитационная волна от слияния черных дыр проходит через лабораторию, она может передать цилиндру крошечную порцию энергии — один гравитон.
Уловить эту энергию — задача невероятной сложности. Гравитон не оставляет видимого следа. Вместо этого он преобразуется в фонон — квант механической вибрации внутри резонатора. Чтобы «увидеть» этот фонон, ученые используют высокоточные лазерные системы. Лазеры будут отслеживать мельчайшие вибрации цилиндра, фактически подсчитывая отдельные гравитоны, которые удалось поймать.
Ключ к успеху — масштаб. Слабость гравитационного взаимодействия компенсируют размером цели. Вместо микроскопического объекта ученые создают квантовый детектор граммового, а в перспективе — килограммового масштаба. Чем больше масса резонатора, находящегося в квантовом состоянии, тем выше вероятность, что пролетающий гравитон взаимодействует с ним и передаст ему свою энергию.
Технические вызовы и путь вперед
Эксперимент сталкивается с колоссальными трудностями. Главный враг — любой внешний шум. Тепловые колебания атомов или микровибрации от проезжающих машин полностью заглушат искомый сигнал. Поэтому установка требует беспрецедентной изоляции. Кроме того, ученым необходимо будет доказать, что зарегистрированный фонон рожден именно гравитоном из далекой галактики, а не каким-либо иным процессом.
Джек Харрис отмечает, что основные инструменты для такого обнаружения уже существуют. Его команда в Йеле уже умеет детектировать отдельные кванты в макроскопических системах. Теперь задача — грамотно масштабировать технологию, сохраняя ее невероятную чувствительность. Первый прототип на граммовой массе станет доказательством работоспособности концепции и создаст основу для следующего поколения детекторов, которые смогут напрямую подтвердить существование гравитона.
Новый эксперимент зарождается на фоне триумфа гравитационно-волновой астрономии. Детекторы LIGO, Virgo и KAGRA становятся все совершеннее. В ноябре 2023 года они зафиксировали слияние самых массивных из известных черных дыр, в результате которого образовался объект в 225 раз тяжелее Солнца.
Эти наблюдения не просто открывают новые объекты, но и служат точнейшей проверкой общей теории относительности Эйнштейна в экстремальных условиях. Например, анализ сигнала от слияния черных дыр в 2025 году (событие GW250114) позволил провести «спектроскопию» черной дыры, изучив частоты «затухающего звона» новорожденного объекта. Измерения с точностью до нескольких процентов подтвердили предсказания Эйнштейна и наложили строгие ограничения на возможные отклонения от его теории.
Таким образом, физика гравитации развивается с двух сторон. С одной стороны, крупные обсерватории все точнее проверяют и подтверждают ее классическую, эйнштейновскую природу на космических масштабах. С другой — лабораторные эксперименты, подобные проекту Пиковски и Харриса, пытаются заглянуть в ее квантовую суть. Эти два пути в конечном итоге должны встретиться, чтобы дать полное описание силы, управляющей Вселенной.
Post Scriptum
Пиковски проводит историческую параллель: квантовая физика началась с экспериментов над светом и материей, которые в итоге привели к открытию фотона. Сейчас его команда ставит перед собой аналогичную, но еще более амбициозную цель — ввести гравитацию в экспериментальную область и изучать гравитоны так, как более века назад физики начали изучать фотоны.
Успех этого предприятия станет одним из величайших научных открытий. Он не только подтвердит существование гравитона, но и даст первое прямое экспериментальное доказательство того, что гравитация подчиняется законам квантовой механики. Это станет решающим шагом к объединению общей теории относительности и квантовой физики — главной интеллектуальной задачи современной науки. Путь к одиночному гравитону сложен и полон технических барьеров, но первый реальный детектор уже строится. Охота началась.
-----
Еще больше интересных постов в нашем Telegram.
Заходите на наш сайт, там мы публикуем новости и лонгриды на научные темы. Следите за новостями из мира науки и технологий на странице издания в Google Новости