Ученые предлагают способ "увидеть" гравитацию, который позволит впервые познакомиться с этим явлением очно

В течение десятилетий физики пытаются решить одну из величайших загадок науки: как работает гравитация в микромире, который управляется законами квантовой механики. У нас есть теории, объясняющие гравитационные эффекты на макрообъектах, таких как звезды и планеты, но мы все еще не до конца понимаем природу гравитационного взаимодействия на субатомном уровне.

Согласно современным представлениям, гравитационное взаимодействие является результатом обмена гипотетическими частицами под названием "гравитоны", подобно тому, как электромагнетизм возникает в результате обмена фотонами. Однако гравитоны всегда считались слишком трудными для обнаружения, поскольку они взаимодействуют с веществом очень слабо, примерно как нейтрино.

Недавно группа ученых под руководством Игоря Пиковски (Igor Pikovski) опубликовала в Nature Communications статью, где показано, как можно экспериментально обнаружить гравитоны с помощью квантовых датчиков. Другими словами, ученые, возможно, скоро смогут "увидеть" гравитацию.

Группа Пиковски опирается на давно известную в физике теорию фотоэлектрического эффекта, разработанную Эйнштейном еще в 1905 году, которая теперь должна помочь обнаружить гравитацию. Эйнштейн предположил, что свет состоит из элементарных частиц, так называемых фотонов. Он использовал эту идею для объяснения фотоэлектрического эффекта, утверждая, что обмен энергией между светом и веществом происходит только дискретными порциями. Несмотря на первоначальное сопротивление научного сообщества, эта теория в конечном счете была принята и признана революционной.

"Наш способ обнаружения гравитации похож на фотоэлектрический эффект, но мы используем акустические резонаторы и гравитационные волны, доходящие до Земли из космоса," – поясняет докторант PhD Жермен Тобар (Germain Tobar), один из соавторов научной работы. "Мы называем это 'гравитонно-фононным' эффектом."

Вот как это должно работать: берем очень массивный цилиндр, состоящий из 4000-фунтовых алюминиевых стержней и охлаждаем его до температуры, соответствующей его самому низкому квантовому энергетическому уровню. Когда через этот цилиндр будет проходить обладающая энергией гравитационная волна, он должен слегка деформироваться, попеременно испытывая нагрузку в направлении растяжения и сжатия.

Ученые говорят, что, наблюдая эту вибрацию цилиндра, можно зарегистрировать крошечные случайные "квантовые скачки" в его энергетическом состоянии – каждый такой скачок означает поглощение или излучение одного гравитона от проходящей гравитационной волны.

Единственная загвоздка здесь в том, что внятные показания измерительных приборов можно будет снять только в том случае, если будут регистрироваться квантовые события, произведенные исключительно мощными гравитационными волнами. Поэтому для проведения эксперимента ученым будут нужны события космического масштаба, такие как произошедшее в 2017 году столкновение нейтронных звезд, которые обеспечат их более чем достаточным количеством гравитонов, чтобы была реальная возможность пронаблюдать этот эффект. Ученые также планируют подключить к эксперименту существующие обсерватории гравитационных волн.

"Мы ждем момента, когда LIGO обнаружит проходящую гравитационную волну, и одновременно наблюдаем, какие квантовые скачки эта волна произведет в нашем детекторе," – поясняет Томас Байтель (Thomas Beitel), еще один соавтор исследования. LIGO расшифровывается как Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory – Лазерно-интерферометрическая гравитационно-волновая обсерватория, которая в настоящее время является крупнейшей в мире обсерваторией гравитационных волн.

Но даже при такой поддержке ученые признают, что их эксперимент представляет собой экстраординарную техническую задачу, заставляющую квантовые датчики работать с очень большими массами, которые превышают все предыдущие.