Гравитация влияет на свет не так, как мы думали? Неожиданное свойство света может стать мостом между гравитацией и квантовой физикой
Свет, путешествуя через искривленное пространство-время, может «запоминать» направление своего движения, а не только пройденный путь. Группа физиков из США и Южной Кореи обнаружила, что поляризация фотона необратимо изменяется под действием гравитации, если он возвращается в исходную точку. Этот эффект, названный невзаимностью, способен не только перевернуть представления о взаимодействии света и материи, но и предоставить ученым новый инструмент для проверки теорий квантовой гравитации.
Когда гравитация «закручивает» фотон безвозвратно
Общая теория относительности утверждает, что гравитация искривляет траекторию света и слегка поворачивает плоскость его колебаний — поляризацию. Интуиция подсказывает, что если фотон пройдет по замкнутому контуру и вернется к наблюдателю, все эти повороты скомпенсируются. Однако исследователи под руководством Уорнера А. Миллера показали, что это не так.
Их моделирование демонстрирует: при движении «туда» и «обратно» по одной и той же геодезической линии в гравитационном поле черной дыры или массивной звезды, поляризация света не возвращается к исходному значению. Свет как бы «запоминает» направление своего движения, сохраняя часть изменений. Этот феномен и назвали невзаимностью.
Секретное оружие — угол наблюдения
Ключ к обнаружению эффекта кроется не в самой гравитации, а в методике измерения. Ученые выяснили, что, меняя угол настройки поляризатора (так называемую ось квантования), можно значительно усилить этот гравитационный «поворот». Расчеты показывают, что итоговый сдвиг угла поляризации (угол вращения Вигнера) может стать в 10 раз больше, чем предсказывают стандартные модели, даже вблизи таких экстремальных объектов, как черная дыра M87*. Таким образом, выбор правильного «угла зрения» позволяет превратить едва уловимый эффект в мощный измерительный сигнал.
Космическая лаборатория для проверки теории
Для экспериментальной проверки своей гипотезы команда Миллера предлагает отправить на орбиту систему спутников, оснащенных сверхчувствительными поляризаторами. Эта космическая обсерватория будет работать как астрономический интерферометр, способный улавливать мельчайшие изменения в световых волнах. Предложенные схемы установок, в частности комбинация интерферометров Хонга-У-Манделя и Маха-Цендера, известны своей способностью отсекать шумы и проводить измерения с предельной точностью. Часть эффектов, как полагают физики, можно будет воспроизвести и в лабораторных условиях, используя системы зеркал для имитации гравитационного искривления.
Подтверждение эффекта невзаимности поляризации света станет прямым экспериментальным свидетельством того, как квантовые свойства фотона (спин) взаимодействуют с классическим гравитационным полем. Это первый практический шаг к созданию «теории всего», объединяющей общую теорию относительности и квантовую механику. Кроме того, открытие может указать на отклонения от Принципа эквивалентности Эйнштейна или на существование новых, неизвестных взаимодействий. Если эффект будет зафиксирован, у астрофизиков появится принципиально новый метод для зондирования пространства-времени вблизи черных дыр и нейтронных звезд.
