Гравитация влияет на свет не так, как мы думали? Неожиданное свойство света может стать мостом между гравитацией и квантовой физикой

13 май 2025, 12:44

Физика стоит на пороге великих открытий, но одна загадка десятилетиями не дает покоя ученым: как помирить две величайшие теории, описывающие нашу Вселенную? С одной стороны — общая теория относительности Эйнштейна, царица макромира, повелевающая гравитацией, планетами и галактиками. С другой — квантовая механика, причудливая владычица микромира, описывающая поведение мельчайших частиц. Эти две картины мира великолепно работают в своих масштабах, но на стыке, там, где гравитация встречается с квантовыми эффектами (например, в черных дырах или в момент Большого Взрыва), они вступают в противоречие. Как же их объединить?

Кажется, ответ может прийти с самой неожиданной стороны — от обычного луча света. Группа физиков из США и Южной Кореи под руководством Уорнера А. Миллера обнаружила нечто, способное изменить наш взгляд на взаимодействие света и гравитации, и, возможно, дать ключ к той самой «теории всего».

Иллюстрация
Автор: ИИ Copilot Designer//DALL·E 3 Источник: www.bing.com

Знакомый вальс света и гравитации

Мы давно знаем, что свет — это не просто поток частиц или волна, летящая по прямой. Свет обладает поляризацией — это, грубо говоря, направление, в котором колеблется световая волна. Представьте себе скакалку: вы можете вращать ее вверх-вниз, вправо-влево или по диагонали — это и будет аналогом поляризации.

Также известно, что гравитация — это не сила в привычном понимании, а искривление самого пространства-времени под действием массы. Когда свет путешествует через такое искривленное пространство (например, пролетая мимо звезды или черной дыры), его путь изгибается. Но не только путь! Гравитация слегка «поворачивает» и плоскость поляризации света. Это предсказанный и наблюдаемый эффект, своего рода гравитационный вальс, где пространство ведет, а свет послушно следует, немного изменяя ориентацию своих колебаний. Вроде бы все понятно.

Наземная станция — спутник (A) и наблюдатели на орбите в экваториальной плоскости вращающейся черной дыры (B). Желтая и светло-голубая линии на A обозначают экваториальную и полярную орбиту соответственно. Желтые круги на B обозначают наблюдателей, вращающихся по орбите вокруг черной дыры; мы рассматриваем случай, когда фотоны испускаются с расстояния, в 4,5 раза превышающего радиус Шварцшильда (r_s), от черной дыры. Для обоих случаев рассматриваются различные соотношения rk^φ к k^r. Как показано на (C-E), волновые векторы фотонов выровнены по локальной третьей оси, e_φ, т. е. преобразованы к стандартной системе отсчета. Перед отправкой фотона поляризация (т. е. фаза спирального состояния) измеряется в стандартной системе отсчета (C). Затем фотоны поворачиваются из-за WRA, индуцированного гравитацией, как показано на (D). На приемнике поляризация и фаза снова измеряются в стандартной системе отсчета. Хотя оба WRA для случаев экваториальной и полярной орбит зависят от прицельных параметров траекторий фотонов, случай наблюдателей на экваториальных орбитах вблизи Земли не дает заметной разницы из-за слабой гравитации. Для случаев системы Земля-спутник на полярных орбитах и наблюдателей в экваториальной плоскости черной дыры M87*, WRA показаны на графиках (F) и (G) соответственно. Исходное изображение Земли, использованное на A, получено от Yeongkwang Kim⁴⁷. Цитирование: Noh, H., Alsing, P.M., Miller, W.A. et al. Non-reciprocity in photon polarization based on direction of polarizer under gravitational fields. Sci Rep 14, 20801 (2024). https://doi.org/10.1038/s41598-024-71203-x
Автор: Noh, H., Alsing, P.M., Miller, W.A. et al. Источник: www.nature.com

Неожиданный поворот: Когда свет «забывает» вернуться

Но вот где начинается самое интересное. Команда Миллера копнула глубже и задалась вопросом: а что если свет пройдет по замкнутому пути в искривленном пространстве и вернется в исходную точку? Логично предположить, что все гравитационные «повороты» поляризации должны скомпенсироваться, и свет вернется ровно в том же состоянии, в каком начал путешествие. Ведь гравитация — штука консервативная.

Оказалось — не всегда! Ученые обнаружили эффект, который назвали невзаимностью. Суть его в том, что свет ведет себя по-разному, двигаясь «туда» и «обратно» по одной и той же траектории в гравитационном поле. Его поляризация не просто поворачивается, но при возвращении не «раскручивается» обратно полностью. Свет как будто «помнит» не только сам путь, но и направление движения по нему, сохраняя часть изменений поляризации.

Звучит странно, не правда ли? Это противоречит интуитивному ожиданию и стандартным представлениям о том, как свет должен вести себя под действием одной лишь гравитации.

Зависимость WRA от выбора оси квантования. Используем ось ẑ в качестве оси квантования и фотоны в плоскости ŷẑ в качестве примера. Волновой вектор k̂ и вектор поляризации p̂ показаны красной и синей стрелками соответственно (A). В отсутствие какого-либо вращения, индуцированного преобразованием Лоренца, когда ẑ-компонента волнового вектора совпадает с осью квантования, ẑ-компонента соответствует этой оси в стандартной системе отсчета (B) путем вращения системы отсчета вокруг k̂ x ẑ, представленного зелеными стрелками (вдоль x̂ на A). (C и D) представляют случай, когда направление ẑ-компоненты волнового вектора противоположно оси квантования. Независимо от направления ẑ-компоненты, угол поляризации (относительно оси ẑ) одинаков в обоих случаях, как показано на (E). Однако, когда система поворачивается за счет пространственного вращения или буста системы отсчета, направление ẑ-компоненты волнового вектора изменяется, что приводит к различным углам поляризации в стандартной системе отсчета. В качестве примера, при вращении системы отсчета вокруг оси ŷ, (F-J) показывают, что угол поляризации в стандартной системе отсчета изменяется в зависимости от направления ẑ-компоненты волнового вектора, но не равен углу вращения системы отсчета из-за некоммутативности. Общее наблюдение, изображенное на J, заключается в том, что угол поляризации в стандартной системе отсчета зависит от относительного направления ẑ-компоненты волнового вектора по сравнению с осью квантования (здесь ось ẑ), как показано на J, что может привести к асимметрии в WRA. Здесь k̂ и p̂ представляют волновой вектор и вектор поляризации после преобразования Лоренца векторов k̂ и p̂ соответственно. Цитирование: Noh, H., Alsing, P.M., Miller, W.A. et al. Non-reciprocity in photon polarization based on direction of polarizer under gravitational fields. Sci Rep 14, 20801 (2024). https://doi.org/10.1038/s41598-024-71203-x
Автор: Noh, H., Alsing, P.M., Miller, W.A. et al. Источник: www.nature.com

Секрет в измерении: Как усилить невидимое

В чем же хитрость? Оказывается, дело не только в гравитации самой по себе, но и в том, как мы измеряем поляризацию света. Ключевую роль играет так называемая ось квантования — угол, под которым настроен наш измерительный прибор (поляризатор). Варьируя этот угол, исследователи смогли не просто обнаружить эффект невзаимности, но и значительно его усилить!

Представьте, что вы смотрите на мир через поляризационные очки. В зависимости от того, как вы их повернете, некоторые блики исчезнут или появятся. Здесь похожая идея: выбирая правильный «угол зрения» на поляризацию света, можно сделать гравитационное влияние на нее гораздо более заметным. Насколько? Расчеты показывают, что итоговый сдвиг угла поляризации (так называемый угол вращения Вигнера) может стать в 10 раз больше, чем предсказывает стандартный расчет влияния гравитации, даже в таких экзотических местах, как окрестности черной дыры!

Это уже не просто любопытный эффект. Это потенциально мощнейший инструмент. Мы нашли способ «подсветить» и увеличить крошечные гравитационные эффекты, влияющие на квантовое свойство света — его поляризацию.

Нарушение симметрии локального обращения времени и WRA волновых векторов с противоположной азимутальной компонентой. Рассматриваются полярные орбиты спутников, чьи 4-векторы скорости ортогональны экваториальной плоскости, как показано на (A и B). При симметрии локального обращения времени для фотонов, посылаемых между спутниками с волновым вектором k (обозначен красной стрелкой на A), знаки локальных пространственных компонент должны быть обращены, в то время как локальная временная компонента (локальная частота) остается неизменной, как предписывается специальной теорией относительности и принципом эквивалентности. Векторы с локально обращенным временем показаны синим цветом на A. Кроме того, поскольку по определению симметрия локального обращения времени подразумевает смену знака временной компоненты тетрады e_î, без изменения знака тех же пространственных компонент e_i, соответствующий волновой вектор в координатных базисах Бойера-Линдквиста, локальные бусты и вращения должны быть преобразованы, как показано на (C). Когда фотоны посылаются с противоположной азимутальной компонентой волнового вектора (обозначено синей стрелкой на B), соответствующее преобразование символов Кристоффеля для сферически-симметричной метрики Шварцшильда приведено в (D), где â равно 0, 1 и 2. Цитирование: Noh, H., Alsing, P.M., Miller, W.A. et al. Non-reciprocity in photon polarization based on direction of polarizer under gravitational fields. Sci Rep 14, 20801 (2024). https://doi.org/10.1038/s41598-024-71203-x
Автор: Noh, H., Alsing, P.M., Miller, W.A. et al. Источник: www.nature.com

От теории к эксперименту: Ловим свет в космические сети

Конечно, теория без экспериментальной проверки — лишь красивая гипотеза. Команда Миллера предлагает конкретные способы проверить свои выкладки. Идея — запустить в космос систему спутников, образующих астрономический интерферометр. Это сверхчувствительный прибор, способный улавливать мельчайшие изменения в световых волнах, пришедших из далека или прошедших сложный путь между спутниками.

Эти спутники будут оснащены специальными поляризаторами, настроенными именно так, чтобы детектировать тот самый усиленный невзаимный сдвиг поляризации. Предлагаются даже конкретные схемы установок (например, комбинация интерферометров Хонга-У-Манделя и Маха-Цендера), известные своей способностью отсекать шумы и проводить измерения с высочайшей точностью.

Более того, ученые полагают, что часть эффектов можно будет проверить и в земных лабораториях, используя систему зеркал и поляризаторов для имитации условий искривленного пространства.

Астрономическая установка интерферометра Маха-Цендера, разработанная для наблюдения WRA (показана на A). В сценарии с квантовым источником два неразличимых фотона входят в два входных порта a_l и b_l соответственно первого светоделителя (BS). Перед одним выходным портом b_l прикладывается фазовый сдвиг π/2, как показано на (B). В системе отсчета David фотоны детектируются однофотонными детекторами (SPDs) после выравнивания по оси квантования, показанной на (C). При эффекте Хонга-У-Манделя (HOM) фотоны испускаются из каждого выходного порта с вероятностью 1/2 с rk^φ/k^r = tanα. Для классического источника свет проходит, как показано на (D), и направляется к David с rk^φ/k^r = tanα. Относительная разность фаз измеряется в системе отсчета David, предполагая, что Alice находится на высоте 300 км, как показано на (E). WRA от Bob и Charlie к David рассчитываются путем интегрирования инфинитезимального WRA вдоль геодезических фотонов от image1 и image2 Alice до David и вычитания части, проинтегрированной вдоль изображений до Bob и Charlie, показанных зелеными линиями. Цитирование: Noh, H., Alsing, P.M., Miller, W.A. et al. Non-reciprocity in photon polarization based on direction of polarizer under gravitational fields. Sci Rep 14, 20801 (2024). https://doi.org/10.1038/s41598-024-71203-x
Автор: Noh, H., Alsing, P.M., Miller, W.A. et al. Источник: www.nature.com

Почему это важно? Новые окна во Вселенную

Что же даст подтверждение этой теории? Последствия могут быть огромными:

Мост между мирами: Это будет прямым экспериментальным свидетельством того, как квантовые свойства света (поляризация тесно связана со спином фотона) взаимодействуют с классическим гравитационным полем. Шаг к пониманию квантовой гравитации.
Проверка основ: Эффект невзаимности может возникать не только из-за гравитации, но и из-за других, пока неизвестных взаимодействий, или указывать на отклонения от фундаментальных принципов, таких как Принцип эквивалентности Эйнштейна (гласящий, что гравитация действует на все одинаково). Обнаружение таких отклонений стало бы революцией в физике.
Новый инструмент: Если эффект подтвердится, у астрофизиков появится новый метод для изучения экстремальных объектов вроде черных дыр и нейтронных звезд, а также для тончайшего зондирования самой ткани пространства-времени.

Заглядывая вперед

Открытие невзаимности поляризации света — это не просто еще одна научная статья. Это приглашение взглянуть на привычные вещи под новым углом. Это предложение нового способа задавать Вселенной самые каверзные вопросы о ее устройстве. Возможно, именно этот неожиданный «световой пируэт», усиленный нашей собственной наблюдательностью, станет тем ключиком, который наконец откроет дверь к единой теории, описывающей все сущее — от квантового трепета до космического танца галактик. Путь предстоит долгий, эксперименты сложны, но потенциальная награда — понимание самых глубоких законов природы — того стоит.

Опубликовано: Мировое обозрение Источник