Гравитационные волны, рябь в ткани пространства-времени, возникающая от столкновений чёрных дыр и других катастрофических событий, были предсказаны Эйнштейном и впервые зафиксированы в 2015 году. Теперь физики ставят перед собой амбициозную цель: не просто пассивно регистрировать эти волны, но и научиться активно на них влиять. Теоретик профессор Ральф Шютцхольд предложил революционный эксперимент, который мог бы открыть путь к управлению гравитационными волнами и пролить свет на их квантовую природу.
Суть предложения, опубликованного в журнале Physical Review Letters, заключается в управлении взаимодействием между светом и гравитационной волной. Поскольку гравитация влияет на всё, включая свет, при их встрече возможен обмен энергией. Идея Шютцхольда состоит в том, чтобы перевести крошечную порцию энергии из луча света в проходящую гравитационную волну. Эта энергия соответствует одному или нескольким гравитонам — гипотетическим частицам-переносчикам гравитационного взаимодействия, которые никогда не наблюдались напрямую из-за чрезвычайно слабого гравитационного взаимодействия, примерно в 10^36 раз слабее электромагнитного. Основные препятствия для их прямого обнаружения включают необходимость достижения недостижимых при современных технологиях планковских энергий, высокий уровень фонового шума и ограниченную чувствительность детекторов.
Этот процесс является обратимым: гравитационная волна, в свою очередь, может отдать квант энергии световой волне. Измерение обоих направлений этого обмена позволило бы учёным впервые наблюдать стимулированное поглощение и излучение гравитонов. Однако для этого потребуется колоссальная экспериментальная установка. Лазерные импульсы должны будут отражаться между зеркалами до миллиона раз, что в аппарате длиной около километра создаст эффективный оптический путь примерно в миллион километров — необходимый масштаб для обнаружения невероятно малых энергетических переносов.
Обнаружение сигнала от такого обмена — титаническая задача, поскольку вызванное гравитонами изменение частоты света будет чрезвычайно мало. Шютцхольд полагает, что его можно выявить с помощью специально сконструированного интерферометра. В нём два световых луча, претерпевшие разные частотные сдвиги, после долгого пути будут снова сведены вместе, создавая интерференционную картину. Её анализ позволит определить сдвиг частоты и подтвердить факт энергообмена с гравитационной волной.
Технологически этот проект схож с работой существующих обсерваторий, таких как LIGO, которые уже успешно детектируют гравитационные волны. LIGO использует четырёхкилометровые вакуумные трубы, где проходящая волна на аттометры меняет длину плеч интерферометра, что и регистрируется. Новая установка потребует схожей, но ещё более продвинутой чувствительности. Как отмечает Шютцхольд, путь от идеи до эксперимента может занять несколько десятилетий.
Интерферометр, построенный по этой концепции, позволит не только обнаруживать, но и активно манипулировать гравитационными волнами. Более того, использование световых импульсов с запутанными фотонами — квантово-механически связанными частицами — может значительно повысить чувствительность прибора. Это, в свою очередь, откроет возможность исследовать само квантовое состояние гравитационного поля, что является совершенно новой областью для изучения.
Хотя такой эксперимент не докажет прямое существование гравитонов, он предоставит для них сильнейшие косвенные свидетельства и подтвердит квантовую природу гравитации. И наоборот, отсутствие ожидаемых эффектов в строго контролируемых условиях поставит под серьёзное сомнение современные теории, включающие гравитоны. Стоит отметить, что помимо таких теорий, в рамках квантовой теории поля, существуют и другие основные подходы к квантовой гравитации, такие как петлевая квантовая гравитация, теория струн, причинная динамическая триангуляция, а также асимптотическая безопасность и некоммутативная геометрия. Этот эксперимент с высокими ставками представляет собой смелый шаг к разгадке одной из величайших тайн физики — того, как ведёт себя гравитация в квантовом мире, и прокладывает путь в новую эру фундаментальных открытий.
Источник: How manipulating gravitational waves could reveal gravity’s quantum secrets