В новом обзоре современных достижений в квантовой физике исследователи рассказали о передовых экспериментах, которые могут наконец помочь согласовать квантовую механику с гравитацией. Эта проблема остается одной из самых сложных и важных в современной науке.
Квантовая физика, объясняющая поведение элементарных частиц, успешно применяется уже более ста лет — от описания периодической таблицы до процессов в звездах. Однако все попытки создать квантовую теорию гравитации до сих пор не нашли подтверждения в экспериментах. Главная сложность заключается не только в несоответствии данных, но и в том, какие именно доказательства искать и как их измерить.
«Совмещение квантовой механики и гравитации — одна из важнейших нерешенных задач физики», — заявила Кэтрин Зурек, теоретический физик из Калифорнийского технологического института.
Последнее десятилетие принесло значительный прогресс в квантовых исследованиях, и теперь ученые приближаются к созданию экспериментов, способных проверить квантовую природу гравитации. Предлагаемые методы варьируются от усовершенствования лазерных технологий до сложных манипуляций с экзотической материей.
«Существенно выросли как экспериментальные возможности, так и наше теоретическое понимание того, что именно могут дать такие опыты», — отметил Маркус Аспельмайер, экспериментальный физик из Венского университета. Гравитация: классическая или квантовая?
Согласно общей теории относительности, гравитация возникает из-за искривления пространства-времени под воздействием массы. В этой модели частицы движутся по четким траекториям. В отличие от этого, квантовая механика описывает частицы как «облака вероятностей», чьи точные координаты определяются только в момент измерения.
Квантовая теория гравитации должна быть менее конкретной, опираясь на вероятностные распределения, а не на фиксированные положения. Некоторые гипотезы предполагают, что пространство-время может состоять из дискретных «квантов», но их существование пока не доказано.
С 1960-х годов ученые пытаются описать гравитацию в квантовых терминах, но общая теория относительности оказалась гораздо сложнее для адаптации, чем, например, электромагнетизм. Попытки применить стандартные методы приводили к абсурдным результатам. Теория струн, предполагающая, что частицы — это вибрирующие струны в дополнительных измерениях, также не получила экспериментального подтверждения.
Некоторые физики считают, что прежде чем строить сложные теории, нужно выяснить, является ли гравитация квантовым явлением вообще.
«У нас нет экспериментальных доказательств того, что гравитация квантовая», — говорит Ричард Хаул, физик из Лондонского университета.
Один из подходов — проверить, могут ли объекты в квантовой суперпозиции (одновременно находящиеся в двух состояниях) влиять на пространство-время двумя путями сразу. Другой метод основан на квантовой запутанности: если два объекта, взаимодействующих только через гравитацию, окажутся запутанными, это подтвердит ее квантовую природу.
Аспельмайер разработал эксперимент для проверки этой идеи, но его реализация пока невозможна из-за необходимости управлять квантовыми эффектами крупных объектов. Тем не менее, прогресс есть: в одном из опытов крошечные стеклянные сферы, удерживаемые лазерами, продемонстрировали квантовое поведение.
Кэтрин Зурек предположила, что квантовая гравитация должна вызывать случайные колебания пространства-времени. В Калифорнийском технологическом институте разрабатывают эксперимент GQuEST, который с помощью лазерного интерферометра попытается зафиксировать эти колебания. Первые результаты могут появиться уже в следующем году.
Альтернативную теорию предложил Джонатан Оппенгейм из Университетского колледжа Лондона. Согласно его модели, гравитация остается классической, но подвержена случайным флуктуациям. Это объяснило бы, например, исчезновение информации в черных дырах. Хотя проверка этой гипотезы с помощью данных зонда LISA Pathfinder не удалась, Оппенгейм считает, что оборудование могло быть недостаточно точным.
Ученые рассматривают и другие идеи, включая поиск гипотетических космических струн, протянувшихся через Вселенную. Большинство экспериментов станут возможны лишь через десятилетие, но исследователи настроены оптимистично.
«Наступает новая эра в изучении квантовой гравитации», — говорит Оппенгейм. «Теперь у нас есть возможность вести диалог с природой, а не просто строить модели в темноте».