Получится ли заморозить гравитацию? Ученые остужают мир до квантовых пределов, чтобы проверить квантовую природу гравитации

Физики из Массачусетского технологического института (MIT) впервые в истории охладили макроскопический объект сантиметрового размера до сверхнизких температур, используя лазер. Этот прорыв, детально описанный в журнале Optica, открывает путь к экспериментальной проверке квантовой природы гравитации — одной из главных нерешенных проблем современной физики. Ученым удалось снизить температуру крутильного осциллятора до 10 милликельвинов, подавив тепловые колебания в тысячу раз и достигнув точности измерений, в десять раз превышающей уровень квантового шума.

Проблема «неуловимой» силы

Гравитация остается «белой вороной» в Стандартной модели физики. Общая теория относительности Эйнштейна блестяще описывает гравитацию как искривление пространства-времени в масштабах галактик, но полностью несовместима с квантовой механикой, описывающей три другие фундаментальные силы через обмен частицами-переносчиками. Главный вопрос: является ли гравитация квантовой по своей сути? Ответ на него требует эксперимента, способного зафиксировать гравитационное взаимодействие на уровне, где квантовые эффекты становятся доминирующими. Сложность в том, что гравитация — невероятно слабая сила, и для ее наблюдения в лабораторных условиях требуются либо колоссальные энергии, либо исключительно чувствительные приборы.

Лазерный «щипок» для маятника Кавендиша

Команда под руководством Донгчела Шина пошла по второму пути. В качестве подопытного объекта был выбран крутильный осциллятор — миниатюрный маятник сантиметрового размера. Такие маятники, впервые использованные Генри Кавендишем в 1798 году для измерения гравитационной постоянной, остаются классическим инструментом гравитационной физики. Новизна работы MIT заключается в применении к этому макроскопическому объекту технологии лазерного охлаждения, ранее успешно использовавшейся только для атомов и микрочастиц. Ученые разработали «зеркальный оптический рычаг» — систему из двух лазерных лучей. Один луч взаимодействовал с осциллятором, второй отражался от неподвижного уголкового отражателя, инвертируя собственный шум лазера (джиттер). Комбинируя сигналы, исследователи подавили паразитный шум и получили чистый сигнал движения маятника. Обратная связь позволила не только измерять, но и активно подавлять колебания, «подталкивая» маятник лазерным светом в противофазе.

Достигнутая температура в 10 милликельвинов — это всего одна сотая градуса выше абсолютного нуля. Критически важно, что точность измерений оказалась почти в десять раз выше уровня квантовых нулевых флуктуаций осциллятора — фундаментального предела, при котором даже при нулевой температуре объект не может быть абсолютно неподвижен из-за принципа неопределенности Гейзенберга.

От охлаждения к «теории всего»

Исследователи подчеркивают, что это лишь первый шаг. Для окончательного ответа о квантовой природе гравитации необходимо достичь основного квантового состояния осциллятора — состояния с минимально возможной энергией. Для этого планируется использовать оптические резонаторы для усиления взаимодействия света с маятником. Конечная цель — создать систему из двух таких ультрахолодных осцилляторов, взаимодействующих исключительно через гравитацию. Если удастся зафиксировать, что это взаимодействие приводит к квантовой запутанности, это станет прямым доказательством квантовой природы гравитации.

С момента первых экспериментов Кавендиша прошло более двух веков. За это время крутильные весы неоднократно использовались для проверки законов тяготения и поиска новых взаимодействий. Теперь, объединив классическую гравитационную физику с технологиями квантовой оптики, ученые вплотную приблизились к моменту, когда можно будет «взвесить» гравитацию на квантовых весах. Этот междисциплинарный подход, сочетающий глубокие теоретические знания с виртуозным экспериментальным мастерством, показывает, как фундаментальная наука движется к созданию «теории всего», объединяющей квантовый мир и космос.