Виявлення гравітона — гіпотетичної частинки, яка, як вважають, переносить силу тяжіння, — це остаточний фізичний експеримент. Однак традиційна мудрість говорить, що це неможливо зробити. Згідно з однією сумнозвісною оцінкою, апарат розміром із Землю, що обертається навколо Сонця, може вловлювати один гравітон кожні мільярд років. Зачепити один за десятиліття, інший розрахунок(відкриває нову вкладку)запропонував, вам доведеться поставити машину розміром з Юпітер біля нейтронної зірки. Коротше кажучи: цього не станеться.

Нова пропозиція перевертає загальноприйняту думку. Поєднуючи сучасне розуміння брижів у просторі-часі, відомих як гравітаційні хвилі, з розвитком квантової технології, група фізиків винайшла новий спосіб виявлення гравітону — або, принаймні, квантової події, тісно пов’язаної з гравітоном. Експеримент все одно був би геркулесовою справою, але він міг би вписатися в простір скромної лабораторії та розмах кар’єри.

«Це те, чого можна досягти за кілька років досліджень», — сказав Маттео Фадель(відкриває нову вкладку), експериментатор Швейцарського федерального технологічного інституту Цюріха (ETH Zurich), який не брав участі в пропозиції.

«Це дуже оригінальна і добре продумана пропозиція», — сказав Френк Вільчек(відкриває нову вкладку), фізик, лауреат Нобелівської премії з Массачусетського технологічного інституту, який давно цікавиться виявленням гравітону. «Це був би справжній прогрес у цій галузі».

В даний час загальна теорія відносності Альберта Ейнштейна приписує гравітацію плавним кривим у тканині простору-часу. Але переконливе виявлення гравітону доведе, що гравітація виникає у формі квантових частинок, як електромагнетизм та інші фундаментальні сили. Більшість фізиків вважають, що гравітація дійсно має квантову сторону, і вони витратили більшу частину століття, намагаючись визначити її квантові правила. Вихоплення гравітона підтвердить, що вони на правильному шляху.

Але навіть якщо експеримент відносно простий, інтерпретація того, що саме виявлення доведе, не є таким. Найпростішим поясненням позитивного результату було б існування гравітонів. Але фізики вже знайшли способи інтерпретувати такий результат взагалі без посилання на гравітони.

Альберт Ейнштейн опублікував сучасну теорію гравітації, яка називається загальною теорією відносності, у 1915 році, за кілька років до того, як ця фотографія була зроблена в його кабінеті в Берлінському університеті.

Дискусія нагадує заплутаний, майже забутий епізод на зорі квантової ери. У 1905 році Ейнштейн інтерпретував експериментальні дані так, що світло «квантується», надходячи у вигляді окремих частинок, які тепер називаються фотонами. Інші, зокрема Нільс Бор і Макс Планк, вважали, що класичну, хвильову природу світла все ще можна врятувати. Фізикам знадобилося б сім десятиліть, щоб незаперечно встановити, що світло квантується, головним чином через тонку природу квантування.

Більшість фізиків припускають, що все у світі квантовано, включаючи гравітацію. Але доведення цього припущення спричинить за собою нову війну, яка тільки почалася.

Клацання від гравітації

Експериментально дослідити гравітацію важко, оскільки сила надзвичайно слабка. Вам потрібні величезні маси — подумайте про планети — щоб істотно деформувати простір-час і створити очевидне гравітаційне тяжіння. Для порівняння, магніт розміром з кредитну картку приклеїться до вашого холодильника. Електромагнетизм не є тонкою силою.

Один із способів вивчити ці сили — порушити об’єкт, а потім спостерігати за брижами, які в результаті поширюються назовні. Струсіть заряджену частинку, і вона створить хвилі світла. Потривожте масивний об'єкт, і він почне випромінювати гравітаційні хвилі. Світлові хвилі ми вловлюємо очними яблуками, а гравітаційні хвилі — це інша справа. Знадобилися десятиліття зусиль і створення колосальних детекторів завдовжки в милі, які входять до складу Лазерної інтерферометричної гравітаційно-хвильової обсерваторії (LIGO), щоб у 2015 році вперше відчути гуркіт у просторі-часі, який виник через зіткнення між далеким чорним отвори.

Виявити один гравітон було б ще важче, подібно до того, як помітити ефект однієї молекули в океанській хвилі. Як важко це було б? У лекції 2012 року видатний фізик Фрімен Дайсон розглядав(відкриває нову вкладку)гравітаційні хвилі від Сонця, де бурхливе збурення матерії всередині зірки має постійно посилати легкі тремтіння в просторі-часі. Час від часу один із гравітонів у цих брижах потрапляв на атом у детекторі й підштовхував електрон на вищий енергетичний рівень. Дайсон підрахував, що в детекторі такого розміру, як Земля, який працює протягом 5 мільярдів років життя Сонця, такий ефект можна побачити лише чотири рази.

Розрахунок покійного фізика Фрімена Дайсона, зображений у його кабінеті в Інституті перспективних досліджень, свідчить про те, що окремі гравітони ніколи не будуть виявлені.

За десяток років після зауважень Дайсона дві експериментальні розробки зробили ситуацію менш жахливою. По-перше, LIGO почав регулярно виявляти гравітаційні хвилі від зіткнень чорних дір, а іноді від зіткнення нейтронних зірок. Ці події похитують простір-час набагато сильніше, ніж внутрішнє хвилювання Сонця, створюючи потоки гравітонів на відміну від цівки Дайсона. А по-друге, експериментатори стали більш здатними виявляти та вимірювати квантові явища.

Ігор Піковський(відкриває нову вкладку), фізик-теоретик, який зараз працює в Технологічному інституті Стівенса в Нью-Джерсі, обмірковував ці розробки з 2016 року. Тоді він і троє його співробітників помітили, що чан з надтекучим гелієм, який демонструє квантові властивості, незважаючи на велику масу, можна налаштувати на реверберацію(відкриває нову вкладку)у відповідь на певні гравітаційні хвилі.

Щоб перейти від детектора гравітаційних хвиль до детектора окремих гравітонів, знадобиться ще один концептуальний стрибок. У недавній статті, яка опублікована в Nature Communications(відкриває нову вкладку)у серпні Піковскі та його співавтори описали, як працюватиме детектор гравітону.

Спочатку візьміть 15-кілограмовий брусок берилію (або якогось подібного матеріалу) і охолодіть його майже до абсолютного нуля, мінімально можливої ​​температури. Позбавлений усього тепла, брусок перебуватиме у своєму «основному» стані з мінімальною енергією. Усі атоми бруска діятимуть разом як одна квантова система, схожа на один величезний атом.

Потім дочекайтеся, поки повз пройде гравітаційна хвиля з далекого космосу. Імовірність того, що будь-який окремий гравітон взаємодітиме з берилієвим бруском, низька, але хвиля міститиме стільки гравітонів, що загальна ймовірність принаймні однієї взаємодії буде високою. Група підрахувала, що приблизно кожна третя гравітаційна хвиля правильного типу (зіткнення нейтронних зірок працюють найкраще, оскільки їх злиття триває довше, ніж злиття чорних дір) змусить смугу дзвонити з однією квантовою одиницею енергії. Якщо ваш бар відбивається разом із гравітаційною хвилею, підтвердженою LIGO, ви стали свідком квантованої події, спричиненої гравітацією.

«Це було б нашим першим вікном у те, де квантова гравітація має значення», — сказав Піковскі.

Серед небагатьох інженерних перешкод, пов’язаних із відкриттям цього вікна, найвищим було б перевести важкий об’єкт у його основний стан і відчути його стрибок у наступний стан із найнижчою енергією. Однією з груп, які просувають сучасні технології на цьому фронті, є ETH Zurich, де Фадель і його співробітники охолоджують крихітні кристали сапфіра, поки вони не проявлять квантові властивості. У 2023 році команді вдалося перевести кристал у два стани одночасно(відкриває нову вкладку)— ще одна ознака квантової системи. Його маса становила 16 мільйонних часток грама — важкий для квантового об’єкта, але все ж у півмільярда разів легший за брусок Піковського. Тим не менш, Фадель вважає пропозицію здійсненною. «Це не було б надто божевільним», — сказав він.

Експеримент Піковскі — як і експеримент Дайсона — повторює той самий експеримент, який спонукав Ейнштейна в 1905 році висунути думку, що світло квантується, що стало переломним моментом в історії квантової механіки. «Якщо це буде реалізовано, це призведе до рівня техніки для гравітонів на той самий рівень, який був для фотонів у 1905 році», — сказав Вільчек.

Ігор Піковський, фізик з Технологічного інституту Стівенса, запропонував спосіб виявлення квантованої реакції на гравітаційну хвилю.

У підручниках часто приписують статті Ейнштейна факт існування фотона. Але реальна історія набагато цікавіша(відкриває нову вкладку). У той час багато фізиків відкидали теорію Ейнштейна. Дехто не приїжджав два десятиліття. На їхню думку, експеримент не дав переконливих доказів. Це був скоріше перший аргумент у війні, яка тривала десятиліття, щоб визначити справжню природу світла.

Справжня історія фотона

Фізики побачили перші тріщини в їхньому класичному розумінні реальності наприкінці 19 століття. Дж. Дж. Томсон виявив, що електричні струми виникають у вигляді окремих порцій заряду, які називаються електронами. Тим часом фізики ламали голову над серією експериментів Генріха Герца та інших, які використовували світло для створення струму — явище, яке назвали фотоефектом.

Загадка полягала в тому, що коли вони направляли тьмяні промені світла на металеву пластину, іноді електричний струм проходив по пластині, а іноді ні. У доквантовому світі це було важко пояснити. Вважалося, що будь-яка хвиля повинна створювати хоча б невелику течію, а більш яскраві хвилі — більші. Натомість фізики виявили, що існує особливий колір світла — частота, — яка змушує текти струм. Лише хвилі такої частоти або вище можуть запустити струм. Яскравість мала до цього мало спільного.

У 1905 році Ейнштейн запропонував рішення: хвиля світла складається з багатьох дискретних одиниць, які називаються «квантами», кожна з яких має енергію, пов’язану з частотою хвилі. Чим вища частота хвилі, тим більш енергійні її кванти. І чим яскравіша хвиля, тим більше квантів. Якщо ви спробуєте запустити електричний струм у металевій пластині за допомогою низькочастотного червоного світла, ви досягнете успіху не більше, ніж якщо спробуєте перекинути холодильник кульками для пінг-понгу; жодного числа не вистачить. Але використання високочастотного синього світла схоже на перехід до валунів. Кожна з цих одиниць має достатню потужність, щоб збудити електрон, навіть при слабкому освітленні, коли їх дуже мало.

Теорія Ейнштейна була зустрінута скептично. Фізики люто захищали 40-річну теорію Джеймса Клерка Максвелла про світло як електромагнітну хвилю. Вони бачили, як світло заломлюється, дифрагує і робить все те, що роблять хвилі. Як він міг складатися з частинок?

Навіть після того, як Ейнштейн отримав у 1921 році Нобелівську премію з фізики за свою теорію фотоелектричного ефекту, дебати серед фізиків тривали. Ефект свідчить про те, що щось квантовано; інакше не було б мінімального порогу, необхідного для руху електронів. Але деякі фізики, включаючи Нільса Бора, якого вважають одним із засновників квантової теорії, продовжували досліджувати можливість квантування лише матерії, а не світла. Сьогодні цей тип теорії називають «напівкласичною», оскільки вона описує класичне поле, що взаємодіє з квантованою матерією.

Щоб побачити, як напівкласична теорія може пояснити фотоефект, уявіть дитину на гойдалках. Вони схожі на електрон у металі. Вони мають основний стан (не гойдаються) і збуджений стан (гойдаються). Класична хвиля — це як серія поштовхів малюка. Якщо поштовхи відбуваються з певною випадковою частотою, нічого не відбувається. Дитина може трохи підстрибувати, але в основному залишатиметься в основному. Лише коли ви штовхаєте з потрібною частотою — « резонансною » частотою гойдалок — дитина накопичує енергію й починає гойдатися. (Електрони в металі трохи відрізняються; вони резонують із цілим безперервним «смугою» частот, а не лише з однією. Але результат той самий: будь-яка хвиля нижче цієї смуги частот нічого не робить, тоді як будь-яка хвиля в цій смузі частот збуджує електрони і створює струм.)

Зрештою Ейнштейна було виправдано, але не завдяки лише фотоефекту. Пізніші експерименти, під час яких електрони та фотони зіткнулися як снаряди, виявили, що імпульс також надходить уривками. Це дослідження зрештою виключило головну альтернативу — напівкласичну теорію світла та матерії від Бора та його співробітників. У 1925 році, побачивши дані, Бор погодився «влаштувати наші революційні зусилля якомога почеснішим похороном» і привітав світло в квантову лоно. Кванти світла стали називати фотонами.

Мало хто сумнівався в фотоні після 1925 року, але фізики нічого, якщо не ґрунтовні. Те, що ніхто не міг придумати життєздатну напівкласичну теорію, не означало, що її не існувало. Остаточний доказ(відкриває нову вкладку)Те, що фотони є реальними, з’явилося наприкінці 1970-х років, коли дослідники квантової оптики показали, що світло потрапляє на детектор за схемою, яку не може імітувати жодна напівкласична теорія. Експерименти були схожі на те, щоб запускати фотонну гармату один раз на секунду та підтверджувати, що детектор клацав один раз на секунду у відповідь. Фотонні війни закінчилися плачем.

«Були просто гори доказів того, що ця концепція фотонів була корисною та життєво необхідною», — сказав Вільчек.

Гравітонні війни починаються

У серпні 2023 року Деніел Карні(відкриває нову вкладку)і його сподвижники зробили перший постріл у новій війні.

Це почалося з того, що колега Карні Ніколас Родд дізнався, подібно до Піковскі, про можливий спосіб виявити гравітон. «Ми отримали супер накачування, — сказав Карні, фізик із Національної лабораторії Лоуренса Берклі.

Але коли він і його співробітники покопалися в літературі, вони виявили заплутану історію фотона та те, на що дослідники квантової оптики пішли в 1970-х роках, щоб закрити останні лазівки. Вони перевели ці суворіші випробування в гравітаційний контекст і виявили, що Дайсон мав рацію. Для справжнього підтвердження квантовості шляхом виявлення самотніх гравітонів один за одним — на відміну від виривання одного з цунамі, у стилі пропозиції Піковскі — справді знадобиться механізм планетарного масштабу.

«Це було божевілля — дуже швидко переглядати свою гіпотезу на 100%, — сказав Карні.

Тепер шукачі гравітонів опинилися в дивному становищі. З основними фактами всі згодні. По-перше, виявлення квантової події, викликаної гравітаційною хвилею, — на диво — можливо. І по-друге, це не доведе явно, що гравітаційна хвиля квантована. «Чи можете ви створити класичну гравітаційну хвилю, яка виробляла б такий самий сигнал? Відповідь – так», – сказав Карні, який разом із двома співавторами проаналізував цей тип експерименту в Physical Review D.(відкриває нову вкладку)у лютому.

Наскільки фізики вважають, що вони зможуть навчитися з експерименту, різниться. Для деяких це наполегливо припускає, що гравітація є квантовою силою, тому що альтернатива — напівкласична теорія гравітації та матерії — є несприятливою з інших причин. Такі теорії, наприклад, порушують принцип збереження енергії. Якщо берилієвий брусок отримує один квант енергії, то збереження енергії вимагає, щоб гравітаційна хвиля втратила один квант енергії — і, отже, її також потрібно квантувати. (Ейнштейн висунув такий аргумент на користь фотона в 1911 році.) Напівкласичні теорії рятують класичність гравітації, жертвуючи цим шанованим принципом.

«Якщо ви не використовуєте дуже штучні інтерпретації, — сказав Вільчек, — це говорить вам, що ви дійсно повинні застосувати квантову механіку до гравітаційної хвилі».

«Якщо я хочу побачити ознаки квантовості, це не моя перша мета — виключити ці патологічні речі», — сказав Піковскі.

Однак для таких фізиків, як Карні, просте припущення, що гравітація квантована, не є настільки інформативним. «Ми вже маємо безліч переконливих припущень, що вся реальність квантована», — каже він. Потрібні докази — наприклад, експерименти, які закрили б лазівки, що залишилися, якими б дивними вони не здавалися.

«Ми настільки упереджені, що думаємо, що все квантово, що вам справді слід займатися адвокатською справою», — сказав він.

Відправна точка

Хоча пропозиція Піковського не є експериментом із закриття лазівок, багато фізиків все одно хотіли б, щоб це сталося. Це ознаменувало б початок ери експериментальної квантової гравітації, яка донедавна здавалася досить далекою.

«Це захоплююча стаття», — сказав Алекс Сушков , фізик-експериментатор із Бостонського університету. «Це важкі експерименти, і нам потрібні яскраві, розумні люди, щоб рухатися в цьому напрямку».

«Ми можемо взяти це за відправну точку», — сказав Мюншік Кім(відкриває нову вкладку), фізик Імперського коледжу Лондона.

Це може спонукати до подальших експериментів, які перенесуть фізиків глибше в епоху квантової гравітації, так само, як колись експерименти з розсіюванням перенесли їх глибше в епоху фотона. Тепер фізики знають, що квантова механіка — це набагато більше, ніж квантування. Наприклад, квантові системи можуть приймати комбінації станів, відомі як суперпозиції, і їхні частини можуть «заплутуватися» таким чином, що вимірювання однієї виявляє інформацію про іншу. Експерименти, які встановлюють, що гравітація демонструє ці явища, нададуть переконливі докази квантової гравітації, і дослідники вже досліджують, що знадобиться для їх реалізації.

Жодне з цих випробувань квантової сторони гравітації не є повністю залізним, але кожне з них дасть певні точні дані щодо найкращих особливостей найслабшої сили Всесвіту. Тепер холодний квантовий брусок берилію є головним кандидатом для експерименту, який стане першим кроком на цьому довгому та звивистому шляху.