Проявляют ли гравитационные волны признаки корпускулярно-волнового дуализма?

Изображены две черные дыры, каждая с аккреционным диском, за мгновение до столкновения. Благодаря полученным данным о событии GW190521, мы обнаружили самые тяжелые черные дыры из когда-либо зарегистрированных по их гравитационным волнам, впервые превысив порог в 100 масс Солнца. Когда две центральные сингулярности перекрываются и черные дыры сливаются, проявляют себя квантово-гравитационные эффекты. Источник: LIGO/Caltech/MIT/R. Hurt (IPAC)

Все материальные частицы могут вести себя как волны, а не имеющие массы световые волны проявляют свойства частиц. Могут ли гравитационные волны вести себя как частицы?

Итан Сигел 17 сентября 2026

Ключевые тезисы:

• Одним из невероятных открытий квантовой механики является корпускулярно-волновой дуализм: идея о том, что все фундаментальные кванты, имеют они массу или нет, демонстрируют как волновые, так и корпускулярные свойства.

• Единственная сила, для которой у нас нет фундаментальной квантовой теории, — это гравитация, подчиняющаяся общей теории относительности (ОТО) Эйнштейна. Хотя гравитационные волны существуют, в ОТО нет их корпускулярного аналога (гравитона).

• Но на фундаментальном уровне гравитация действительно может быть квантовой силой: для этого нужна теория квантовой гравитации, которая пока не открыта. Если мы обнаружим, что гравитационные волны взаимодействуют как частицы, это, возможно, приведёт к новой научной революции.

Мир навсегда изменился в феврале 2016 года, когда коллаборация LIGO сделала, пожалуй, крупнейшее научное заявление XXI века, навсегда изменив наш взгляд на Вселенную. На расстоянии более миллиарда световых лет две массивные черные дыры в 36 и 29 солнечных масс сблизились и слились в одну. Результатом этого слияния стала черная дыра массой 62 массы Солнца, а оставшиеся 3 массы Солнца превратились в чистую энергию согласно знаменитой формуле Эйнштейна E = mc², и эта энергия распространилась по Вселенной в виде гравитационных волн. Непосредственная регистрация этих волн, впервые реализованная в сентябре 2015 года (объявлено полгода спустя), стала переломным событием. Теперь уже никто не мог сомневаться в физической реальности гравитационных волн, включая такие факты, как:

• механизм их образования,

• то, что они действительно переносят энергию по Вселенной,

• и то, что они распространяются с теоретически предсказанной скоростью c — скоростью света в вакууме.

С тех пор к LIGO добавились дополнительные детекторы гравитационных волн, такие как Virgo, было зарегистрировано несколько сотен подтвержденных событий, а также наблюдались слияния нейтронных звезд и черных дыр, охватывающие почти два порядка (~100) по диапазону масс обнаруженных объектов. Теперь гравитационные волны, несомненно, признаны реально существующими, и процесс их наблюдения дает нам невероятное количество знаний о нашей Вселенной. Но эта информация по-прежнему проверяет лишь предсказания, вытекающие из нашей классической теории гравитации: общей теории относительности.

Если квантовая физика верна везде, то корпускулярно-волновой дуализм должен быть реален даже для гравитационных волн. Ниже о том, что это значит и как мы могли бы когда-нибудь провести проверку экспериментом.

Эта диаграмма, восходящая к работам Томаса Юнга начала 1800-х годов, является одним из старейших изображений, демонстрирующих демонстрирующих как усиление, так и гашение волн от двух источников : A и B. Эта установка физически идентична опыту с двумя щелями, хотя она с тем же успехом применима и к водяным волнам, распространяющимся в резервуаре. Отметки C, D, E и F соответствуют местам 100% гашения волн в результате интерференции. Источник: Thomas Young & Sakurambo/Wikimedia Commons

Без преувеличения можно сказать, что корпускулярно-волновой дуализм — одно из самых странных квантовых явлений из когда-либо открытых. Независимые друг от друга понятия волн и частиц начинались достаточно просто: материя состояла из частиц (атомов и их составляющих), а излучение — из волн. Мы могли определить, что нечто является частицей, потому что такие объекты демонстрировали следующее поведение:

• сталкивались и отскакивали друг от друга,

• иногда слипались, образуя составные частицы,

• часто сталкивались с обменом энергией и импульсом,

• а иногда образовывали связанные состояния, приводящие к испусканию частиц или излучения, и так далее.

Точно так же мы могли понять, что нечто является волной, если оно демонстрировало волновые явления, такие как дифракция, интерференция и суперпозиция состояний, когда волны могли интерферировать как с другими волнами, так и сами с собой. Ньютон ошибался насчет света, считая его состоящим из частиц, но другие ученые, такие как Гюйгенс (его современник), а затем и ученые начала XIX века, такие как Юнг, Френель и Араго, окончательно показали, что свет обладает свойствами, которые невозможно объяснить, не рассматривая его как волну.

Пожалуй, самое известное волновое явление, интерференция, проявляется, когда вы пропускаете свет через двойную щель. Картина, появляющаяся на фоновом экране, показывает, что свет интерферирует как с усилением волн (что приводит к появлению светлых полос), так и с их гашением (что приводит к темным полосам).

Волновая картина, составленная электронами, проходящими через две щели по одному, при обеих открытых щелях. Если мы измеряем, через какую именно щель прошел электрон, мы разрушаем показанную здесь квантовую интерференционную картину. Однако волновое поведение сохраняется до тех пор, пока длина волны де Бройля электронов меньше размера щели, через которую они проходят. Подобное волновое и корпускулярное поведение было продемонстрировано для электронов, фотонов и даже более крупных составных объектов. Источник: Dr. Tonomura; Belsazar/Wikimedia Commons

Явление интерференции является исключительно следствием волнового поведения. Опыт с двумя щелями и последующие, более сложные аналоги установили, что свет — это волна. К концу XIX века стало совершенно ясно, что одни объекты проявляют волновые свойства (свет, звук, жидкости), а другие — корпускулярные.

Однако различие между этими двумя типами поведения стало более запутанным в начале 1900-х годов с открытием фотоэффекта. Когда светили на определенный материал, свет иногда «выбивал» из него электроны.

Детальное рассмотрение того, как работал фотоэффект, показало, что электроны выбивались не суммарной энергией (или интенсивностью) света, а скорее его компонентами с определенной длиной волны (или энергией). Если свет, вызывающий выбивание электронов, становился краснее определенного порога (и, следовательно, менее энергичным), то даже направление сколь угодно интенсивного света не выбивало ни одного электрона. Но когда делали свет более синим, чем этот порог «ионизации» (т.е. использовали свет с более высокой энергией), даже если интенсивность убавить до минимума, электроны все равно выбивались. Вскоре после этого мы смогли обнаружить, что свет квантуется на фотоны и что даже отдельные фотоны могут вести себя как частицы, ионизируя электроны, если они обладают нужной энергией.

Этот график зависимости энергии фотона от энергии электрона, связанного в атоме цинка, показывает, что ниже определенной частоты (или энергии) ни один электрон не выбивается из атома цинка. И это не зависит от интенсивности. Однако выше определенного энергетического порога (при достаточно коротких длинах волн) фотоны всегда выбивают электроны. По мере дальнейшего увеличения энергии ионизирующих фотонов электроны вылетают со все возрастающими скоростями. Если бы масса электрона была существенно меньше, ионизация цинка (и всех атомов) была бы намного проще из-за того, что электроны гораздо слабее удерживались бы атомным ядром. Источник: Klaus-Dieter Keller/Wikimedia Commons/Inkscape

Еще более странные открытия подоспели в XX веке, когда мы обнаружили, что:

• Одиночные фотоны, пропущенные через две щели по одному, все равно интерферируют сами с собой, создавая картину, согласующуюся с волновой природой.

• Электроны, известные как частицы, также демонстрировали эту картину интерференции и дифракции.

• Составные частицы и даже крошечные живые организмы могут интерферировать сами с собой при прохождении через две щели.

• Однако, если мы измеряли, через какую щель прошел фотон или электрон, мы бы не получали интерференционной картины вообще. Мы получим ее только в том случае, если не будем проводить измерение.

Выходит, что каждая частица, которую мы когда-либо наблюдали, может быть описана и как волна, и как частица. Главный урок квантовой физики заключается не в том, что объекты по своей сути являются либо «волнами», либо «частицами», а скорее в том, что нам нужно относиться ко всем объектам как к волнам и/или частицам, в зависимости от физических обстоятельств рассматриваемого сценария. Если мы будем настаивать на том, чтобы рассматривать явление как «волну» или «частицу» в 100% случаев, мы просто не получим результатов, согласующихся с нашими экспериментами.

Сигнал от гравитационно-волнового события GW190521, зарегистрированный всеми тремя активными на тот момент детекторами: LIGO Hanford, LIGO Livingston и Virgo. Вся длительность сигнала составила около 13 миллисекунд, но это представляет собой энергетический эквивалент 8 масс Солнца, преобразованных в энергию по формуле Эйнштейна E = mc². Это одно из самых массивных слияний черных дыр, когда-либо наблюдавшихся напрямую, и его местоположение удалось точно определить, поскольку одновременно работали три детектора, чувствительные к поляризации. Исходные данные и теоретические предсказания, показанные на трех верхних панелях, невероятно хорошо совпадают, ясно демонстрируя наличие волновой картины. Источник: R. Abbott et al. (LIGO Scientific Collaboration and Virgo Collaboration), Phys. Rev. Lett., 2020

Теперь, наконец, мы готовы рассмотреть гравитационные волны. Эти волны в некотором роде уникальны с точки зрения физики, потому что мы видели только их волновую часть и никогда — корпускулярную. Это связано с тем, что, хотя мы предполагаем, что реальность имеет квантовую природу, мы пока не смогли подвергнуть гравитацию проверке экспериментом, чтобы определить, проявляет ли она квантовые свойста или нет.

Однако, точно так же, как волны на воде состоят из частиц, мы ожидаем, что и гравитационные волны состоят из частиц. Когда мы видим рябь на пруду, волны в океане или расходящиеся волны от прыгнувшего в бассейн человека, мы явно наблюдаем волновое явление на макроуровне. Но на микроуровне вода состоит из огромного множества отдельных молекул, которые взаимодействуют друг с другом. Из слаженных совместных движений молекул и возникает волновое поведение.

Для гравитации частицами, составляющими гравитационные волны (в отличие от волн на воде), должны быть гравитоны (вместо молекул воды), то есть частицы, которые переносят гравитационное взаимодействие во всех известных концепциях, способных дать квантовую теорию гравитации. Ожидается, что гравитоны возникнут как следствие того, что гравитация является изначально квантовой силой, и так же, как свет состоит из фотонов, гравитационные волны должны состоять из гравитонов.

Серия частиц, движущихся по круговым траекториям, может создавать макроскопическую иллюзию волн. Точно так же отдельные молекулы воды, движущиеся по определенному паттерну, могут создавать макроскопические волны на воде, отдельные фотоны создают явление, которое мы воспринимаем как световые волны, а гравитационные волны, которые мы видим, вероятно, состоят из отдельных квантовых частиц, их составляющих: гравитонов. Источник: Dave Whyte/Bees & Bombs

Поскольку это волна, и поскольку было замечено, что эта волна ведет себя точно так, как предсказывает общая теория относительности, включая:

• стадию сближения ,

• стадию слияния,

• стадию затухания,

мы можем с уверенностью предположить, что она будет продолжать демонстрировать все волновые свойства, которые предсказывает ОТО. В деталях они немного отличаются от других волн, к которым мы привыкли: это не скалярные волны, как волны на воде, и даже не векторные волны, как свет, где есть синфазные, колеблющиеся электрические и магнитные поля.

Вместо этого гравитация представляет собой тензорные волны, которые заставляют пространство сжиматься и растягиваться во взаимно перпендикулярных направлениях по мере прохождения волны через эту область, как показано на видео ниже. Когда гравитационная волна проходит через вас, ваша форма остается неизменной в направлении распространения волны, но в плоскости, перпендикулярной распространению волны, вы будете попеременно сжиматься и расширяться, колеблясь в этих взаимно перпендикулярных направлениях до тех пор, пока волна продолжает проходить через вас.

Эти волны делают многое из того, что вы ожидаете от любого типа волн, включая:

• они распространяются с определенной скоростью через свою среду (со скоростью света через саму ткань пространства),

• они интерферируют с любыми другими возмущениями в пространстве как с усилением, так и с затуханием,

• эти волны «накладываются» поверх любой другой уже присутствующей кривизны пространства-времени, подчиняясь принципу суперпозиции,

• и если бы был какой-то способ заставить эти волны испытать дифракцию (возможно, огибая сильный гравитационный источник, такой как черная дыра), они бы сделали именно это.

Кроме того, по мере расширения Вселенной мы знаем, что эти волны будут делать то, что делают все волны в расширяющейся Вселенной: растягиваться и расширяться вместе с фоновым пространством Вселенной. Точно так же, как свет, распространяющийся в расширяющейся Вселенной, растягивается по длине волны, что приводит к красному смещению, уменьшающему энергию каждого отдельного кванта света, так и гравитационные волны должны растягиваться в длине волны и терять энергию. Этот эффект был подтвержден для гравитационных волн от LIGO и других гравитационно-волновых обсерваторий и не зависит от того, могут ли гравитационные волны также вести себя как частицы.

По мере расширения ткани Вселенной длины волн любого присутствующего излучения также будут растягиваться. Это в равной степени относится как к гравитационным, так и к электромагнитным волнам; любая форма излучения растягивается по длине волны (и теряет энергию) по мере расширения Вселенной. Длины волн любого присутствующего излучения растягиваются прямо пропорционально «коэффициенту растяжения», то есть тому, насколько расширилось само пространство. Источник: E. Siegel/Beyond the Galaxy

Мы хотим проверить, проявляют ли гравитационные волны корпускулярно-волновой дуализм, и вопрос заключается в том, каким образом мы сможем проверить «квантовую» часть этой идеи? Как нам искать «корпускулярную» природу гравитационной волны?

В теории гравитационная волна похожа на более раннее изображение, показывающее кажущуюся волну, возникающую из множества движущихся частиц: эти частицы — гравитоны, а общая кажущаяся волна — это то, что регистрируют такие обсерватории, как LIGO. Есть все основания полагать, что перед нами серия гравитонов, которые:

• являются частицами со спином 2,

• не имеют массы,

• распространяются со скоростью света,

• и взаимодействуют только посредством гравитационной силы.

Ограничения от LIGO на второе свойство гравитонов, их безмассовость, чрезвычайно хороши: если у гравитона и есть масса, она меньше 1,6×10⁻²² эВ/c², что примерно в 10²⁸ раз меньше массы электрона. Но пока мы не придумаем, как проверить квантовую гравитацию с помощью гравитационных волн, мы не будем знать, справедлива ли «корпускулярная» часть корпускулярно-волнового дуализма для гравитонов.

На самом деле существует несколько возможностей для такой проверки, хотя LIGO и другие существующие детекторы гравитационных волн вряд ли смогут провести их в своей нынешней форме. Дело в том, что квантово-гравитационные эффекты наиболее сильны и ярко выражены там, где действуют сильные гравитационные поля на очень малых расстояниях. Какой инструмент может быть лучше для исследования этого режима, чем сливающиеся черные дыры?

Когда две сингулярности сливаются вместе, эти квантовые эффекты (которые могут проявлять отклонения от общей теории относительности) возникнут в момент слияния, а также непосредственно до него (в конце стадии сближения) и сразу после него (в начале стадии затухания). Реально же мы рассматриваем исследование пикосекундных временных масштабов, а не микро- или миллисекундных масштабов, к которым чувствителен LIGO, что потребует колоссального продвижения во временном разрешении экспериментов с гравитационными волнами.

Это невозможно физически? Не обязательно. Помните, что LIGO работает на лазерах, которые светят через вакуумные камеры, тысячи раз отражаются от зеркал, а затем их свет реконструируется и сводится вместе. Теперь рассмотрим следующий факт: мы разработали лазерные импульсы, которые работают в фемтосекундном или даже аттосекундном (от 10⁻¹⁵ до 10⁻¹⁸ с) диапазонах времени, и поэтому вполне возможно, что мы могли бы зарегистрировать крошечные отклонения от теории относительности, если бы у нас было достаточно таких интерферометров, работающих одновременно. Это потребовало бы колоссального технологического скачка, включая большое количество интерферометров, а также значительного снижения шума и повышения чувствительности. Но это не является технически невозможным; это просто технологически сложно.

Начав с лазерного импульса малой мощности, мы можем растянуть его, уменьшив мощность, затем усилить, не разрушая усилитель, а затем снова сжать, создав более мощный и более короткий импульс, чем было бы возможно в противном случае. Что касается лазеров, мы теперь перешли от фемтосекундной (∼10⁻¹⁵ с) эры в эру аттосекундной (10⁻¹⁸ с) физики. Источник: Johan Jarnestad/Royal Swedish Academy of Sciences

Хотя у нас есть все основания полагать, что гравитационные волны — это просто квантовый аналог электромагнитных волн, мы, в отличие от электромагнитного фотона, еще не справились с технологическими задачами прямого обнаружения гравитационной частицы, являющейся аналогом гравитационных волн: теоретического гравитона. Хотя нынешние детекторы гравитационных волн еще не обладают временным разрешением, необходимым для исследования любых квантово-гравитационных эффектов, которые могут возникнуть по обе стороны от точного момента слияния черных дыр, это не является технологической или теоретической невозможностью: это просто колоссальная задача, которую будущие установки будут стремиться решить.

Теоретики все еще рассчитывают уникальные квантовые эффекты, которые должны возникнуть в результате такого процесса, и работают вместе с экспериментаторами над разработкой настольных тестов квантовой гравитации, в то время как астрономы, изучающие гравитационные волны, ломают голову над тем, как детектор будущего поколения мог бы когда-нибудь раскрыть квантовую природу этих волн. Хотя мы ожидаем, что гравитационные волны будут проявлять корпускулярно-волновой дуализм, пока мы не обнаружим его, мы не можем знать это наверняка. Остается надеяться, что:

• наше любопытство заставит нас инвестировать в эти поиски,

• природа пойдет нам навстречу и предоставит подходящий объект для изучения,

• и что мы узнаем ответ раз и навсегда.

В конце концов, вопрос о квантовой природе гравитации, о которой в настоящее время у нас есть лишь слабейшие намеки, является одной из величайших фундаментальных загадок современной физики.

Эта статья была впервые опубликована в ноябре 2023 года. Обновлена в сентябре 2026 года.