В 2024 году двое физиков - Игорь Пиковски из Технологического института Стивенса и Джек Харрис из Йельского университета - опубликовали в Nature Communications статью, которую в научных кругах поначалу приняли за ошибку. Слишком уж дерзко звучало заявление: они знают, как поймать гравитон. Ту самую частицу-призрак, которая, по идее, должна связывать гравитацию с квантовым миром, но которую сто лет считали принципиально неуловимой. Фримен Дайсон ещё в прошлом веке доказал: чтобы зарегистрировать один гравитон, детектор должен быть размером с планету. Вывод напрашивался - гравитоны не для лабораторий, это чистая теория.
Но Пиковски с Харрисом посмотрели на проблему на первый взгляд иначе. Вместо гигантского детектора они предложили использовать то, что уже научились делать к 2020-м: ловить одиночные кванты в макроскопических объектах и синхронизировать их с гравитационными волнами от сливающихся чёрных дыр. Идея оказалась настолько простой - и одновременно безумной, - что сейчас под их руководством уже строят первый в мире детектор гравитонов. Он умещается на лабораторном столе. И, если всё получится, мы наконец увидим, из чего соткана пустота.
Как теория столкнулась с реальностью: столетний конфликт
У физики есть боль. Два её главных столпа - общая теория относительности и квантовая механика - живут в разных вселенных. Эйнштейн нарисовал гравитацию гладким искривлением пространства-времени, где массивные тела просто следуют изогнутым траекториям, как шарики на натянутой резине. Квантовая механика твердит, что всё на свете состоит из дискретных порций, квантов, и взаимодействия передаются частицами-посредниками.
Чтобы примирить их, нужна квантовая теория гравитации. А в ней обязательно должен быть переносчик - гравитон.
Долгое время считалось, что проверить это экспериментально невозможно. Физик Фримен Дайсон ещё в прошлом веке подсчитал: чтобы зарегистрировать один гравитон, детектор должен быть размером с Юпитер. Вывод был пессимистичным: гравитоны - это не для лаборатории, а для чистого теоретизирования. И физики, если честно, почти смирились.
Но всегда бывают исключения, когда появляются люди, которые отказываются верить в невозможное.
Прорыв, которого никто не ждал
Игорь Пиковски, физик из Стивенса, и Джек Харрис из Йеля - из той породы, которые видят в тупике не стену, а дверь. Их история началась в 2022 году. Харрис и его команда тогда впервые продемонстрировали контроль над отдельными квантами вибрации сверхтекучего гелия массой больше нанограмма. Они буквально научились слышать, как «шепчут» атомы в состоянии абсолютного покоя.
Пиковски, услышав об этом, вдруг понял, что если соединить две точки, то может получиться нечто. Первая - гравитационно-волновая астрономия. С 2015 года детекторы LIGO регулярно ловят рябь пространства-времени от столкновений чёрных дыр. Эти волны - не что иное, как когерентные потоки гравитонов, которые летят к нам миллиарды лет. Вторая - квантовый контроль над макроскопическими объектами, который Харрис уже освоил.
«Долгое время обнаружение гравитона считалось настолько безнадёжным, что это вообще не рассматривали как экспериментальную задачу, - говорил позже Пиковски в интервью. - Мы обнаружили, что в эпоху современных квантовых технологий этот вывод больше не работает».
В 2024 году они опубликовали работу в Nature Communications, и физический мир, кажется, на мгновение замер. Теоретический барьер рухнул.
И у них получилось буквально перевернуть представление о том, что можно изучать в лаборатории, а что - нет.
Ловушка для призрака: как устроен детектор, который может изменить всё
Сейчас при поддержке Фонда У. М. Кека Пиковски и Харрис строят первый в мире детектор гравитонов. Выглядит он обманчиво просто: сантиметровый резонатор, заполненный сверхтекучим гелием. Гелий охлаждён ниже 2,17 кельвина - т.е. там он становится квантовым объектом, в котором все атомы движутся как одно целое. Никаких шумов, никаких случайных вибраций. Идеальная тишина.
Когда гравитационная волна от далёкого столкновения двух чёрных дыр проходит сквозь лабораторию, она должна передать этому куску гелия крошечный импульс - ровно один квант его энергии, один гравитон. Резонатор превратит этот импульс в фонон - квант звуковой вибрации. А лазеры, настроенные с фантастической точностью, этот фонон зарегистрируют.
«У нас уже есть все необходимые инструменты, - говорит Харрис. - Мы можем обнаруживать отдельные кванты в макроскопических квантовых системах. Теперь дело за масштабированием».
И это, ведь, пожалуй, самое удивительное. Мы говорим не о фантастическом ускорителе размером с Галактику, а о приборе, который помещается на лабораторном столе. Обычно, когда читаешь о фундаментальной физике, кажется, что всё это где-то далеко, в мире огромных коллайдеров и космических телескопов. А тут - просто кусок гелия, лазеры и надежда. И эта надежда начинает казаться чем-то осязаемым.
Почему это не безумие: два козыря физиков
Гравитоны взаимодействуют с веществом чудовищно слабо - примерно в 10³⁶ раз слабее, чем электромагнетизм. Если бы мы полагались только на расчёты Дайсона, то даже мечтать не стоило. Но у Пиковски и Харриса есть два козыря, которые меняют всё.
Первый - масса детектора. Чем массивнее мишень, тем выше вероятность, что гравитон попадёт в цель. Исследователи уже масштабировали систему от нанограммов до граммов, сохранив квантовый контроль. Следующий шаг - килограммовые детекторы. «Тут работает простая логика, - поясняет Пиковски. - Если увеличить массу в тысячу раз, шансы вырастут пропорционально».
Второй - астрофизические источники. Слияния чёрных дыр - это не просто где-то далеко. Каждое такое событие выбрасывает в космос колоссальную энергию в виде гравитационных волн. Это как примерно представить, что океанский лайнер проходит мимо маленькой лодки - даже если лодка маленькая, но волна достаточно сильная, её можно почувствовать.
Учёные планируют синхронизировать свой гелиевый детектор с существующими гравитационно-волновыми обсерваториями LIGO и Virgo. Если в момент прохождения зарегистрированной волны резонатор покажет усиление - это и будет то самое доказательство существования гравитона, а вместе с ним - квантовой природы гравитации.
От фотонов к гравитонам: как рождается новая физика
Если задуматься, то в этом эксперименте есть что-то почти поэтическое. Больше века назад физики спорили: свет - это волна или частица? А потом пришли эксперименты, и оказалось, что и то, и другое. Фотоны стали реальностью, и на них построили всю современную технологию - от лазеров до квантовых компьютеров.
Теперь настала очередь гравитации.
«Квантовая физика начиналась с экспериментов над светом и материей, - напоминает Пиковски. - Теперь наша цель - ввести гравитацию в эту экспериментальную область и изучать гравитоны так же, как физики более века назад изучали фотоны».
Даже если первый эксперимент не даст результата, он создаст основу для будущих, более чувствительных детекторов. А если даст - физика получит недостающий элемент головоломки, которую собирали больше ста лет. И тогда, возможно, мы наконец поймём, почему Вселенная вообще существует, а не схлопывается в точку под действием собственной гравитации.
Иногда, когда кажется, что фундаментальная наука застыла, появляются люди, готовые заглянуть за горизонт. И ловить то, что поймать невозможно. И в этом, в привычном понимании, и есть та самая частица, которую они для себя определили как гравитон, а на деле - просто доказательство того, что пустота, оказывается, состоит из чего-то, что мы научились слышать...
P.S. Если захочется проверить, как идёт эксперимент, - у Пиковски и Харриса открытые публикации. А если просто хочется почувствовать себя физиком, можно представить, что где-то в лаборатории, охлаждённый почти до абсолютного нуля, кусок гелия ждёт встречи с частицей, которая летела к нему миллиарды лет от столкновения двух мёртвых звёзд. И если встреча произойдёт, мы наконец поймём, из чего соткана пустота…
📚 Источники
- G. Tobar, S. K. Manikandan, T. Beitel, I. Pikovski. Detecting single gravitons with quantum sensing. Nature Communications 15, 7229 (2024). DOI: 10.1038/s41467-024-51420-8
- Stevens Institute of Technology. Physicists propose a new method to detect single gravitons. Пресс-релиз, 26 августа 2024. EurekAlert.
- Stevens Institute of Technology. Building the world’s first graviton detector. Пресс-релиз, 15 января 2026. EurekAlert.
- Jack Harris (Yale University). Measuring the higher-order phonon-phonon coherences in a superfluid optomechanical device. Q-FARM Seminar, Stanford University, 6 апреля 2022.
- D. Carney, V. Domcke, N. L. Rodd. Graviton detection and the quantization of gravity. Physical Review D 109, 044009 (2024). arXiv:2308.12988.
- Astronomy Magazine. Astronomers detect pair of unique black hole mergers. 2025.