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

Столетняя попытка «подружить» общую теорию относительности Эйнштейна с квантовой механикой переходит из области чистой теории в экспериментальную фазу. Физики перестали спрашивать «возможна ли квантовая гравитация?» и начали искать способы проверить это в лаборатории. Но ключевой вопрос, который сегодня разделяет научное сообщество, звучит иначе: а является ли гравитация квантовой силой в принципе, или она — фундаментально классическое свойство пространства-времени? Ответ на этот вопрос может полностью изменить наше понимание Вселенной, от Большого взрыва до природы черных дыр.

Почему гравитон до сих пор не обнаружен

Главная проблема — чудовищная слабость гравитации на микроуровне. Если электромагнетизм, сильные и слабые ядерные взаимодействия имеют частицы-переносчики (фотон, глюоны, бозоны), то у гравитации гипотетически должен быть гравитон. Однако его влияние на элементарные частицы настолько ничтожно, что для его регистрации потребовались бы энергии, недоступные даже Большому адронному коллайдеру. Некоторые теоретики мрачно шутили, что для этого понадобится детектор размером с черную дыру.

Эксперимент с квантовым «камертоном»

Группа Игоря Пиковского предложила остроумный выход: охладить микроскопический металлический стержень почти до абсолютного нуля и привести его в квантовое состояние. Теоретически, такой резонатор мог бы «щелкнуть» от воздействия одного-единственного гравитона. Однако скептики указали на фатальную проблему: как отличить этот сигнал от воздействия классической гравитационной волны, которую уже научились ловить обсерватории LIGO и Virgo? Большинство ученых сходятся во мнении, что прямое и однозначное обнаружение гравитона — задача, возможно, на следующие сто лет.

Гравитационная запутанность как косвенное доказательство

Если частицу поймать нельзя, возможно, удастся увидеть ее «следы». Идея, предложенная независимо несколькими группами ученых, заключается в следующем: подготовить две крошечные массы в квантовом состоянии, изолировать их от всех посторонних влияний и подождать. Если гравитационное взаимодействие между ними квантовое, то со временем эти массы должны стать гравитационно запутанными. Их положения начнут коррелировать друг с другом — и это станет мощным косвенным доказательством.

Проблема в том, что создать и удержать макроскопические объекты в квантовом состоянии невероятно сложно. Нужно защитить их от малейших вибраций, теплового излучения, случайных фотонов. К тому же, чем дальше разнести массы (чтобы исключить другие взаимодействия), тем слабее будет гравитационное притяжение. Тем не менее, прогресс есть: команда Маркуса Арндта уже перевела в квантовое состояние ансамбль из примерно 2000 атомов. Маркус Аспельмейер, возглавляющий другую исследовательскую группу, надеется на жизнеспособный эксперимент по гравитационной запутанности лет через 15.

Радикальная альтернатива: гравитация может быть классической

Пока одни пытаются доказать квантовую природу гравитации, другие задаются крамольным вопросом: а что, если нет? Джонатан Оппенгейм и его команда показали, что если пространство-время действительно классическое, то в любых сверхточных измерениях, связанных с гравитацией, должен присутствовать фундаментальный «шум» или флуктуации. Суть проста: если квантовый объект находится «одновременно в двух местах», а классическое пространство-время может изогнуться только одним способом, ему приходится «выбирать» или усреднять. Это и порождает неизбежную неопределенность.

Самое интересное — этот подход можно проверять уже сейчас. Группа Аспельмейера проводит 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.

Эпоха чисто теоретических спекуляций о квантовой гравитации подходит к концу. Наступает время экспериментаторов. Путь будет долгим, возможно, ответы мы получим не завтра и даже не через десять лет. Но сам факт перехода от вопроса «возможно ли это?» к вопросу «как именно это сделать?» — 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.