Друзья, всем привет! Нашел интереснейшую статью о поисках гравитона и тех научно-философских последствиях, которые повлечет за собой его обнаружение. Оригинал здесь. Постарался сделать качественный и понятный для русскоязычного читателя перевод без характерных для английского языка, но непривычных у нас оборотов. Надеюсь на продуктивную дискуссию в комментариях! Приятного чтения!
Возможно, обнаружить частицу гравитации окажется гораздо проще, чем считалось ранее. Теперь физики лишь спорят о том, что обнаружение гравитона будет означать для нас на самом деле.
Эксперимент, в результате которого будет обнаружен гравитон — гипотетическая частица, которая, как полагают, переносит силу гравитации — станет судьбоносным. Однако до сих пор считалось, что это невозможно. Согласно одной печально известной оценке, аппарат размером с Землю, вращающийся вокруг Солнца, может улавливать один гравитон каждые миллиард лет. Чтобы поймать один гравитон за десятилетие, согласно этому расчёту, нам пришлось бы припарковать машину размером с Юпитер рядом с нейтронной звездой. Короче говоря: этого не произойдет.
Однако вероятно это общепринятое мнение скоро кардинально изменится. Соединив современное понимание гравитационных волн (что по сути является рябью пространственно-временного континуума) с достижениями в области квантовых технологий, группа физиков разработала новый способ обнаружения гравитона — или, по крайней мере, квантового события, тесно связанного с гравитоном. Предлагаемый ими эксперимент все равно требует титанических усилий, но он, по-крайней мере, возможен в реальности.
Академическое сообщество физиков в целом позитивно оценило предлагаемую идею.
Маттео Фадель, экспериментатор из Швейцарского федерального технологического института Цюриха (ETH Zurich) утверждает: «Реальных результатов можно достичь за несколько лет исследований».
В свою очередь, Франк Вильчек, лауреат Нобелевской премии по физике из Массачусетского технологического института, давно интересующийся обнаружением гравитона, оценил предлагаемый эксперимент как «очень оригинальное и хорошо продуманное предложение». Он сказал, что «это был бы настоящий прогресс в этой области».
В настоящее время Общая теория относительности Альберта Эйнштейна объясняет гравитацию как геометрическое искривление в ткани пространственно-временного континуума. Но окончательное обнаружение гравитации доказало бы, что гравитация существует в форме квантовых частиц, как и электромагнетизм и другие фундаментальные силы. Большинство физиков считают, что гравитация имеет квантовую природу, и они потратили уже достаточно много времени на попытки определить те квантовые правила, по которым работает гравитация. Обнаружение гравитона подтвердило бы, что они на правильном пути.
Но даже если сам эксперимент относительно прост, то вот интерпретация того, что именно докажет обнаружение гравитонов, совсем не такова. Самым простым объяснением положительного результата было бы собственно существование гравитонов. Но физики уже нашли способы интерпретировать такой результат вообще без отсылок на гравитоны.
Обсуждение гипотетических результатов эксперимента напоминает запутанный, в значительной степени забытый эпизод из начала квантовой эры. В 1905 году Эйнштейн интерпретировал экспериментальные данные так, что свет «квантуется», существуя в виде дискретных частиц, которые теперь называются фотонами. Другие, включая Нильса Бора и Макса Планка, считали, что классическая волновая природа света все еще может быть сохранена. Физикам потребовалось семь десятилетий, чтобы неоспоримо установить, что свет квантуется, в основном из-за весьма тонкой природы квантуемости.
Большинство физиков предполагают, что все в мире квантовано, включая гравитацию. Но доказательство этого предположения повлечет за собой новую интеллектуальную войну, которая, похоже, только что и началась.
Щелчки гравитации
Трудно экспериментально исследовать гравитацию, поскольку эта сила чрезвычайно слаба. Вам нужны огромные массы — представьте планеты — чтобы значительно искривить пространство-время и создать очевидное гравитационное притяжение. Для сравнения, магнит размером с кредитную карту, легко прилипнет к холодильнику. Электромагнетизм — не такое слабое взаимодействие.
Один из способов изучения этих сил — возмутить объект, а затем наблюдать за рябью, которая в результате этого расходится. Встряхните заряженную частицу, и она создаст волны света. Возмутите массивный объект, и он испустит гравитационные волны. Мы улавливаем световые волны нашими глазными яблоками, но гравитационные волны — это другое дело. Потребовались десятилетия усилий и строительство колоссальных, многокилометровых детекторов, составляющих Лазерную интерферометрическую гравитационно-волновую обсерваторию (LIGO), чтобы впервые почувствовать гул в пространстве-времени в 2015 году — гул, вызванный столкновением далеких черных дыр.
Обнаружить один гравитон было бы еще сложнее, сродни обнаружению эффекта всего одной молекулы в океанской волне. Насколько это было бы сложно? В своей лекции в 2012 году выдающийся физик Фримен Дайсон рассмотрел гравитационные волны от Солнца, где бурное перемешивание материи внутри звезды должно постоянно осуществлять слабые толчки в пространстве-времени. Время от времени один из гравитонов в этой ряби должен был бы ударять по атому в специальном детекторе и выталкивать электрон на более высокий энергетический уровень. Дайсон подсчитал, что в подобном детекторе размером с Землю, работающем в течение 5 миллиардов лет жизни Солнца, такой эффект мог бы наблюдаться всего четыре раза.
За 13 лет, прошедших с момента высказываний Дайсона, два экспериментальных события сделали ситуацию чуть менее ужасной. Во-первых, LIGO начал регулярно обнаруживать гравитационные волны от столкновений черных дыр и иногда от сталкивающихся нейтронных звезд. Эти события сотрясают пространство-время гораздо сильнее, чем внутреннее возбуждение Солнца, — создавая поток гравитонов в отличие от ничтожной «струйки» Дайсона. И, во-вторых, экспериментаторы стали более способны выявлять и измерять квантовые явления.
Игорь Пиковски, физик-теоретик, который сейчас работает в Технологическом институте Стивенса в Нью-Джерси, размышлял над этими разработками с 2016 года. В то время он и трое его коллег отметили, что ёмкость со сверхтекучим гелием, который проявляет квантовые свойства, несмотря на большую массу, можно настроить на отражение определенных гравитационных волн.
«Это станет для нас первым шагом в изучении роли квантовой гравитации».
Игорь Пиковски
Потребуется еще один концептуальный скачок, чтобы перейти от детектора гравитационных волн к детектору отдельных гравитонов. В недавней статье в Nature Communications Пиковски и его соавторы обрисовали, как будет работать детектор гравитонов.
Сначала возьмите 15-килограммовый брусок бериллия (или подобного материала) и охладите его почти до абсолютного нуля, минимально возможной температуры. Лишенный всего тепла, брусок будет находиться в своем минимально энергетическом «основном» состоянии. Все атомы бруска будут действовать вместе как одна квантовая система, сродни одному громадному атому.
Затем подождите, пока гравитационная волна из глубокого космоса не пройдет мимо. Вероятность того, что какой-либо конкретный гравитон будет взаимодействовать с бериллиевым стержнем, мала, но волна будет содержать так много гравитонов, что общие шансы по крайней мере одного взаимодействия будут высокими. Группа подсчитала, что примерно одна из трех гравитационных волн правильного типа (столкновения нейтронных звезд работают лучше всего, поскольку их слияния длятся дольше, чем слияния черных дыр) заставит стержень звенеть одной квантовой единицей энергии. Если ваш стержень отразится в согласии с гравитационной волной, подтвержденной LIGO, вы станете свидетелем квантованного события, вызванного гравитацией.
Среди нескольких инженерных препятствий, связанных с осуществлением этого эксперимента, самым сложным был бы перевод тяжелого объекта в его основное состояние и обнаружение его перехода в следующее самое низкоэнергетическое состояние. Одна из групп, продвигающих передовые технологии на этом фронте, находится в Цюрихе, где Фадель и его коллеги охлаждают крошечные сапфировые кристаллы до тех пор, пока они не проявят квантовые свойства. В 2023 году команде удалось перевести кристалл в два состояния одновременно — еще один признак квантовой системы. Его масса составила 16 миллионных грамма — тяжело для квантового объекта, но все же в полмиллиарда раз легче стержня Пиковски. И тем не менее, Фадель считает эксперимент реализуемым. «Это не так уж и безумно», — сказал он.
Эксперимент Пиковски — как и эксперимент Дайсона — имитирует тот самый эксперимент, который побудил Эйнштейна в 1905 году предположить, что свет квантуется, что стало переломным моментом в истории квантовой механики. «Если его довести до конца, он выведет состояние дел в области гравитонов на тот же уровень, на котором оно было для фотонов в 1905 году», — сказал Вильчек.
Учебники часто приписывают статье Эйнштейна установление существования фотона. Но реальная история гораздо интереснее. В то время многие физики отвергли теорию Эйнштейна. Некоторые не признавали её в течение двух десятилетий. По их мнению, до окончательного доказательства было еще очень далеко. Это был, скорее, вступительный аргумент в многолетней войне, которая велась, чтобы определить истинную природу света.
История фотона: фотонные войны
Физики увидели первые трещины, открывающиеся в их классическом понимании реальности в последние годы 19-го века. Дж. Дж. Томсон обнаружил, что электрические токи существуют в виде дискретных порций заряда, называемых электронами. Тем временем физики ломали голову над серией экспериментов Генриха Герца и других, которые использовали свет для создания тока — явление, которое стало называться фотоэлектрическим эффектом.
Загадка заключалась в том, что когда они направляли тусклые лучи света на металлическую пластину, иногда электрический ток протекал по пластине, а иногда нет. В доквантовом мире это было трудно объяснить. Считалось, что любая волна должна создавать хотя бы небольшой ток, а более яркие волны должны создавать более сильные токи. Вместо этого физики обнаружили, что существует особый цвет света — частота — которая заставляет ток течь. Только волны этой частоты или выше могли начать ток. Яркость имела к этому мало отношения.
Эйнштейн предложил решение в 1905 году: волна света состоит из множества дискретных единиц, называемых «квантами», каждая из которых имеет энергию, связанную с частотой волны. Чем выше частота волны, тем более энергичны ее кванты. И чем ярче волна, тем больше квантов. Если вы попытаетесь запустить электрический ток в металлической пластине с помощью низкочастотного красного света, вы не добьетесь большего успеха, чем если бы вы попытались опрокинуть холодильник шариками для пинг-понга; никакое число не будет достаточным. Но использование более высокочастотного синего света похоже на переключение на валуны. Каждая из этих единиц имеет достаточно энергии, чтобы возбудить электрон, даже в тусклом свете с очень небольшим их количеством.
Теория Эйнштейна была встречена скептически. Физики яростно защищали 40-летнюю теорию Джеймса Клерка Максвелла о свете как электромагнитной волне. Они видели, как свет преломляется, дифрагирует и делает все то, что делают волны. Как он может состоять из частиц?
Даже после того, как Эйнштейн получил Нобелевскую премию по физике в 1921 году за свою теорию фотоэлектрического эффекта, среди физиков продолжались дебаты. Эффект предполагал, что что-то квантуется; в противном случае не было бы минимального порога, необходимого для движения электронов. Но некоторые физики, включая Нильса Бора, которого считают одним из основателей квантовой теории, продолжали исследовать возможность того, что квантуется только материя, а не свет. Сегодня этот тип теории называется «полуклассическим», потому что он описывает классическое поле, взаимодействующее с квантованной материей.
Чтобы увидеть, как полуклассическая теория может объяснить фотоэлектрический эффект, представьте себе ребенка на качелях. Они чем-то похожи на электрон в металле. У них есть основное состояние (не качание) и возбужденное состояние (качание). Классическая волна — это как серия толчков ребенка. Если толчки происходят с какой-то случайной частотой, ничего не происходит. Ребенок может немного подпрыгивать, но в целом он останется в своем основном состоянии. Только когда вы толкаете с правильной частотой — «резонансной» частотой качелей — ребенок накапливает энергию и начинает качаться. (Электроны в металле немного отличаются; они резонируют с целой непрерывной «полосой» частот, а не только с одной. Но результат тот же: любая волна ниже этой полосы частот ничего не делает, тогда как любая волна в этой полосе частот возбуждает электроны и заставляет ток течь.)
В конечном итоге Эйнштейн был оправдан, но не только благодаря силе фотоэлектрического эффекта. Более поздние эксперименты, в которых электроны и фотоны сталкивались как снаряды, обнаружили, что импульс также приходит порциями. Это исследование в конечном итоге исключило главную альтернативу — полуклассическую теорию света и материи Бора и его коллег. В 1925 году, увидев данные, Бор согласился «устроить нашим революционным усилиям как можно более почетные похороны» и приветствовал свет в квантовой области. Кванты света стали известны как фотоны.
Мало кто сомневался в фотоне после 1925 года, но физики никогда не могут остановиться на достигнутом. То, что никто не мог придумать жизнеспособную полуклассическую теорию, не означало, что ее не может быть вовсе. Окончательное доказательство того, что фотоны реальны, пришло только в конце 1970-х, когда исследователи квантовой оптики показали, что свет достигает детектора по схеме, которую не могла воспроизвести ни одна полуклассическая теория. Эксперименты были похожи на выстрел из фотонной пушки раз в секунду и подтверждение того, что детектор щелкнул раз в секунду в ответ. Фотонные войны закончились.
«Были просто горы доказательств того, что эта концепция фотонов полезна и жизненно важна», — сказал Вильчек.
Начало Гравитонных Войн
В августе 2023 года физик из Национальной лаборатории Лоуренса в Беркли Дэниел Карни и его соратники сделали первый выстрел в новой интеллектуальной войне.
Все началось, когда коллега Карни Николас Родд пришел к мысли, похожей на ту, что была у Пиковски, о возможном способе обнаружения гравитона. «Мы были очень взволнованы», — сказал Карни.
Но когда он и его коллеги углубились в литературу, они обнаружили запутанную историю фотона и то, на что пошли исследователи квантовой оптики в 1970-х, чтобы закрыть последние лазейки. Они перенесли эти более строгие тесты в гравитационный контекст и обнаружили, что Дайсон был прав. Реальное доказательство квантовости путем обнаружения одиночных гравитонов одного за другим — в отличие от вытаскивания одного из цунами в стиле предложения Пиковски — действительно потребовало бы машин планетарного масштаба.
«Было безумием пересматривать свою гипотезу на 100% так быстро», — сказал Карни.
Теперь охотники за гравитоном оказались в странном положении. По основным фактам все согласны. Во-первых, обнаружение квантового события, вызванного гравитационной волной, — как ни странно — возможно. И, во-вторых, это не докажет явно, что гравитационная волна квантуется. «Можно ли создать классическую гравитационную волну, которая произведет тот же сигнал? Ответ — да», — сказал Карни, который вместе с двумя соавторами проанализировал этот тип эксперимента в Physical Review D.
Физики по-разному оценивают то, что они узнают из этого эксперимента. Для некоторых это будет убедительным доказательством того, что гравитация является квантовой силой, поскольку альтернатива — полуклассическая теория гравитации и материи — не приветствуется по ряду причин. Такие теории нарушают, например, закон сохранения энергии. Если бериллиевый стержень приобретает один квант энергии, то закон сохранения энергии требует, чтобы гравитационная волна потеряла один квант энергии — и, следовательно, она также должна быть квантована. (Эйнштейн выдвинул такого рода аргумент для фотона в 1911 году.) Полуклассические теории спасают классичность гравитации, жертвуя этим почитаемым принципом.
«Мы настолько предвзято думаем, что все имеет квантовый характер, что из нас получились бы отличные адвокаты!«
Дэниел Карни
«Если вы не используете очень искусственные интерпретации, — сказал Вильчек, — то вы должны ясно видеть, что квантовая механика действительно применима к гравитационным волнам».
«Если я хочу увидеть признаки квантовости, моей первой целью не является исключение абсолютно всех помех разом», — сказал Пиковски.
Однако для таких физиков, как Карни, простое предположение о том, что гравитация квантуется, не так уж и информативно. У нас уже есть множество сильных предположений о том, что вся реальность квантуется, говорит он. Нужны доказательства — например, эксперименты, которые закроют оставшиеся лазейки, какими бы странными они ни казались.
Отправная точка
Хотя предложение Пиковски не является экспериментом по закрытию лазеек, многие физики все равно хотели бы, чтобы он был реализован. Это ознаменовало бы начало эры экспериментальной квантовой гравитации, которая до недавнего времени казалась весьма далекой.
«Это захватывающая работа», — сказал Алекс Сушков, физик-экспериментатор из Бостонского университета. «Это сложные эксперименты, и нам нужны яркие, умные люди, чтобы двигаться в этом направлении».
«Мы можем взять это за отправную точку», — сказал Мёншик Ким, физик из Имперского колледжа Лондона.
Главное начать и тогда это может мотивировать последующие эксперименты, которые уведут физиков глубже в эпоху квантовой гравитации, так же как эксперименты по рассеянию когда-то увели их глубже в эпоху фотона. Теперь физики знают, что квантовая механика — это гораздо больше, чем квантование. Квантовые системы могут принимать комбинации состояний, известные как суперпозиции, например, и их части могут стать «запутанными» таким образом, что измерение одного из них раскрывает информацию о другом. Эксперименты, устанавливающие, что гравитация проявляет эти явления, дадут более веские доказательства квантовой гравитации, и исследователи уже изучают, что потребуется для их проведения.
Ни один из этих способов протестировать квантовую сторону гравитации не является полностью убедительным, но каждый из них мог бы предоставить некоторые важные данные относительно тончайших нюансов слабейшей силы во Вселенной. Теперь холодный квантовый брусок бериллия, по-видимому, является главным кандидатом для эксперимента, который ознаменует первый шаг на этом долгом и извилистом пути.
Это мой научно-философский проект, а это место, где я преподаю. Присоединяйтесь: будем дружить, общаться и обмениваться знаниями!
