Как поймать гравитон? Новый эксперимент может доказать квантовую природу гравитации

Квантовая гравитация, стремящаяся объединить квантовую механику и общую теорию относительности Эйнштейна, остается одной из самых сложных и интригующих задач современной физики. В ее основе лежит гипотеза о существовании гравитона — элементарной частицы, переносящей гравитационное взаимодействие. Представьте себе, что гравитационные волны, подобно световым, состоят из мельчайших частиц — гравитонов. Однако, в отличие от фотонов, квантов света, которые мы можем относительно легко регистрировать, гравитоны обладают чрезвычайно слабым взаимодействием с материей, что делает их обнаружение невероятно сложной задачей. Долгое время считалось, что создание детектора, способного зарегистрировать отдельный гравитон, практически невозможно.

Недавно опубликованная в журнале Nature Communications статья предлагает новый подход к решению этой проблемы. Вместо того, чтобы фокусироваться на спонтанном излучении гравитонов, ученые предлагают использовать стимулированные процессы излучения и поглощения, которые происходят при взаимодействии с уже существующими гравитационными волнами. Другими словами, детектор не будет ждать, пока атом спонтанно испустит гравитон, а будет «настроен» на взаимодействие с проходящей гравитационной волной, что значительно увеличит вероятность обмена гравитонами.

В качестве детектора предлагается использовать не отдельные атомы, как в предыдущих теоретических работах, а макроскопические квантовые резонаторы, охлажденные до своего основного квантового состояния. Представьте себе массивный металлический цилиндр, охлажденный до температуры, близкой к абсолютному нулю, где тепловое движение атомов практически отсутствует. В таком состоянии цилиндр, подобно камертону, может откликаться на проходящую гравитационную волну, переходя из основного квантового состояния в возбужденное. Такой переход будет свидетельствовать о поглощении одного гравитона.

Этот процесс можно назвать гравито-фононным аналогом фотоэффекта, при котором свет выбивает электроны из металла. В данном случае гравитационная волна вызывает возбуждение квантовых колебаний решетки (фононов) в резонаторе.

Конечно, реализация этого эксперимента требует решения ряда технологических задач. Во-первых, необходимо добиться глубокого охлаждения массивного резонатора до температур порядка одного милликельвина. Во-вторых, нужно разработать методы непрерывного квантового измерения энергии резонатора, которые позволили бы с высокой точностью регистрировать поглощение одного гравитона.

Авторы статьи, однако, уверены, что эти задачи, хоть и крайне сложные, вполне достижимы в обозримом будущем. Они приводят конкретные расчеты и показывают, что детекторы из различных материалов (бериллий, алюминий, ниобий) могли бы зарегистрировать гравитоны, испускаемые при слиянии нейтронных звезд, подобных тем, что уже были зафиксированы детекторами LIGO.

Обнаружение гравитонов стало бы грандиозным событием в мире физики. Это не только подтвердило бы квантовую природу гравитации, но и открыло бы путь к созданию долгожданной теории квантовой гравитации. Такая теория позволила бы нам глубже понять природу пространства-времени, черных дыр и самых ранних этапов эволюции Вселенной.

Предложенный в статье эксперимент открывает новые перспективы в поисках экспериментальных подтверждений квантовой гравитации. Возможно, именно этот подход позволит нам наконец-то «услышать» шепот гравитации и приоткрыть завесу над одной из самых фундаментальных тайн мироздания.