Гравитация – это иллюзия? Ученые нашли способ «взвесить» ее квантовую природу

Представьте себе двух титанов современной физики: общую теорию относительности (ОТО) Эйнштейна, величественно описывающую гравитацию как искривление самого пространства-времени, и квантовую механику, причудливый, но невероятно точный мир элементарных частиц и их взаимодействий. Вот уже почти столетие ученые бьются над тем, чтобы «подружить» этих гигантов, создав единую теорию квантовой гравитации. Зачем? Потому что без нее мы не можем до конца понять ни рождение нашей Вселенной в Большом взрыве, ни загадочные глубины черных дыр. Долгое время эта задача казалась чисто теоретической, а экспериментальная проверка — чем-то из области фантастики. Но времена меняются, и сегодня физики с новой дерзостью штурмуют эту, казалось бы, неприступную крепость.

Почему так сложно «взвесить» гравитацию?

Казалось бы, что может быть проще? Гравитация окружает нас повсюду. Но когда речь заходит о ее квантовой природе, мы сталкиваемся с фундаментальными проблемами. ОТО рисует нам картину гладкого, непрерывного пространства-времени, а квантовая механика настаивает, что все взаимодействия, включая фундаментальные силы, должны происходить порциями — квантами. Если у электромагнетизма есть фотон, а у сильного и слабого ядерных взаимодействий — свои частицы-переносчики, то у гравитации, по идее, должен быть свой квант — гравитон.

И вот тут-то и начинаются сложности. Гравитация — чудовищно слабая сила. Да, она удерживает планеты на орбитах и притягивает яблоки к земле, но это взаимодействие между огромными массами. На уровне элементарных частиц ее влияние настолько ничтожно, что обнаружить гипотетический гравитон — задача посложнее поиска иголки не то что в стоге сена, а в целой галактике стогов! Энергии, необходимые для таких наблюдений, по расчетам, должны быть астрономическими, далеко за пределами возможностей даже Большого адронного коллайдера. Не зря знаменитый Фримен Дайсон когда-то мрачно предположил, что для этого понадобится детектор размером с черную дыру. Словом, десятилетиями царил пессимизм.

Первая ласточка или мираж? В погоне за неуловимым гравитоном

Так что же, все зря? Не совсем. Наука не стоит на месте, и появляются все более изощренные идеи. Например, группа Игоря Пиковского предложила остроумный эксперимент с микроскопическим металлическим стержнем, охлажденным почти до абсолютного нуля и приведенным в особое квантовое состояние. Теоретически, такой «камертон» мог бы срезонировать даже от воздействия одного-единственного гравитона. Звучит почти как научная фантастика!

Однако скептики, вроде Дэниела Карни, тут же охладили пыл. Они указали на фундаментальную проблему: даже если такой резонатор «щелкнет», как отличить этот сигнал от воздействия очень слабой, но все же классической гравитационной волны? Ведь гравитационные волны, рябь пространства-времени, предсказанные Эйнштейном, уже успешно детектируются обсерваториями LIGO и Virgo. И такая волна — это, по сути, множество гравитонов (если они существуют). Уловить же «соло» одного гравитона и быть уверенным, что это именно он, а не отголосок классического эффекта — задачка со звездочкой. Большинство ученых сходятся во мнении: прямое и однозначное обнаружение гравитона — мечта, возможно, на следующие сто лет.

Квантовые объятия: может, запутанность нам поможет?

Но если нельзя поймать частицу, может, удастся увидеть ее «следы» другим способом? Тут на сцену выходит одно из самых удивительных явлений квантового мира — запутанность. Если две квантовые частицы взаимодействуют, их судьбы могут стать связаны, даже если их разнести на огромное расстояние. Изменение состояния одной мгновенно отразится на другой.

Идея, предложенная независимо Влатко Ведралом, Кьярой Марлетто и командой Сугато Бозе, заключается в следующем: а что, если подготовить две крошечные массы в квантовом состоянии (когда их положение, например, размыто), изолировать их от всех посторонних влияний и… подождать? Если между ними существует гравитационное взаимодействие, и оно квантовое, то со временем эти массы должны стать гравитационно запутанными. Их положения начнут коррелировать друг с другом именно благодаря гравитации. И это стало бы мощным косвенным доказательством ее квантовой природы!

Звучит элегантно, но дьявол, как всегда, в деталях. Создать и удержать макроскопические (пусть и очень маленькие) объекты в квантовом состоянии — невероятно сложно. Нужно защитить их от малейших вибраций, теплового излучения, случайных фотонов — всего того, что может разрушить хрупкую квантовую когерентность. К тому же, чем дальше разнести массы (чтобы исключить другие взаимодействия), тем слабее будет гравитационное притяжение между ними.

И все же, прогресс есть! Команда Маркуса Арндта уже смогла перевести в квантовое состояние ансамбль из примерно 2000 атомов — это важный шаг. Маркус Аспельмейер, возглавляющий другую исследовательскую группу, надеется на жизнеспособный эксперимент по гравитационной запутанности лет через 15. Хотя и он признает: для «чистоты эксперимента» массы пришлось бы разнести так далеко, что гравитацию между ними было бы почти невозможно измерить. Дилемма!

А что, если она… не квантовая? Радикальный взгляд и гравитационный «шум»

Пока одни пытаются доказать, что гравитация квантовая, другие задаются крамольным вопросом: а что, если нет? Что, если гравитация — особенная, фундаментально классическая сила, стоящая особняком от остальных? В конце концов, ОТО описывает ее не как силу в привычном понимании, а как свойство самого пространства-времени.

Эта идея, известная как полуклассический подход, получила новое развитие благодаря работам Джонатана Оппенгейма. Его команда показала, что если пространство-время действительно классическое, то в любых сверхточных измерениях, связанных с гравитацией, должен неизбежно присутствовать своего рода фундаментальный «шум» или флуктуации. Представьте: если квантовый объект находится «одновременно в двух местах», а классическое пространство-время может изогнуться только одним способом, ему придется как-то «выбирать» или усреднять. Это и породит неизбежную неопределенность, тот самый гравитационный шум.

И самое интересное: этот подход можно проверять уже сейчас! Группа Аспельмейера как раз проводит такие эксперименты, измеряя гравитационное взаимодействие между крошечными золотыми шариками с невероятной точностью. Пока чувствительности не хватает, чтобы подтвердить или опровергнуть наличие такого «шума», но технологии развиваются стремительно. Идея в том, чтобы, комбинируя данные от таких экспериментов с экспериментами по гравитационной запутанности, постепенно «сужать» диапазон возможных значений этого шума. Если он действительно существует и соответствует предсказаниям полуклассических теорий, это будет означать, что гравитация — не квантовая. Если же его не обнаружат до определенного предела точности, это станет еще одним аргументом в пользу ее квантования.

От теории к практике: новая эра в изучении гравитации

Так что же мы имеем? С одной стороны, прямое обнаружение гравитонов — задача почти невыполнимая на текущем технологическом уровне. С другой — многообещающие, хотя и невероятно сложные, эксперименты по поиску гравитационной запутанности. И, как альтернативный путь, проверка гипотезы о фундаментально классической природе гравитации через поиск предсказанного «шума».

Похоже, эпоха чисто теоретических спекуляций о квантовой гравитации подходит к концу. Наступает время экспериментаторов. Да, путь будет долгим и тернистым, возможно, ответы мы получим не завтра и даже не через десять лет. Но сам факт, что мы перешли от вопроса «А возможно ли это в принципе?» к вопросу «Как именно это сделать и когда мы получим результаты?» — уже огромный прорыв. Как метко заметил Оппенгейм, «Природе нет дела до того, что думают теоретики». И скоро у нас появится шанс напрямую спросить у нее, как же она на самом деле устроена в своих самых фундаментальных проявлениях. Это ли не самое увлекательное приключение в современной науке?