Является ли гравитация классической или квантовой? Новый эксперимент проверяет природу фундаментальной силы, управляющей Вселенной

Пост опубликован в блогах iXBT.com, его автор не имеет отношения к редакции iXBT.com
| Рассуждения | Наука и космос

Гравитация — одна из самых загадочных сил во Вселенной. Мы ощущаем ее каждый день, она удерживает нас на Земле и управляет движением планет. Но, несмотря на эту вездесущность, гравитация остается белым пятном в нашем понимании мироздания. Все остальные фундаментальные силы — электромагнитное, сильное и слабое взаимодействия — успешно описаны в рамках квантовой теории. Гравитация же сопротивляется этой интеграции, порождая многочисленные теоретические головоломки.

Долгое время физики были убеждены, что гравитация, как и другие силы, должна быть квантовой. Это означало бы существование гравитонов — гипотетических частиц, переносящих гравитационное взаимодействие. Однако, прямые поиски гравитонов пока не увенчались успехом, а создание полноценной квантовой теории гравитации оказалось задачей титанической сложности.

Иллюстрация
Автор: ИИ Copilot Designer//DALL·E 3 Источник: www.bing.com
А что, если гравитация не квантовая?

Именно этот дерзкий вопрос лежит в основе нового исследования, опубликованного в журнале Physical Review Letters. Вместо того, чтобы продолжать безуспешные попытки квантовать гравитацию, группа ученых из Гарвардского университета и Массачусетского технологического института предложила принципиально иной подход: экспериментально проверить, является ли гравитация фундаментально классической силой.

В чем суть этого подхода? По словам исследователей, ключ к разгадке кроется в флуктуациях. Если гравитация — это классическая сила, то она должна демонстрировать непредсказуемые, случайные флуктуации, которые невозможно устранить. Эти флуктуации возникают из-за несовместимости классической природы гравитации с принципами квантовой механики.

Как обнаружить эти неуловимые флуктуации?

Ученые утверждают, что эти классические флуктуации гравитации должны оставить уникальный след в спектре перекрестной корреляции двух квантовых осцилляторов. Этот след проявится в виде характерного фазового сдвига, отличающегося от того, который наблюдался бы, если бы гравитация была квантовой.

«Если гравитация является классической, то возникает парадоксальная ситуация, — объясняет Сергей Крыхин, один из авторов исследования. — Классическая система, в отличие от квантовой, детерминирована, то есть ее будущее состояние полностью определяется ее прошлым. Но если классическая гравитация взаимодействует с квантовой материей, которая по своей природе вероятностна, то возникает противоречие. Классические флуктуации — это способ классической гравитации справиться с этим противоречием, привнося случайность в систему.»

Квантовый эксперимент Кавендиша: новая надежда на разгадку

Для проверки своей гипотезы исследователи предложили своего рода квантовую версию знаменитого эксперимента Кавендиша. Они предлагают использовать два высококогерентных квантово-механических осциллятора, гравитационно связанных друг с другом, и измерить перекрестную корреляцию их движений. Обнаружение характерного фазового сдвига станет убедительным доказательством классической природы гравитации.

Важно отметить, что этот эксперимент, в отличие от многих других предложенных ранее, является вполне осуществимым с использованием современных технологий. Он не требует создания массивных объектов в квантовых суперпозиционных состояниях, что делает его более реалистичным для реализации в ближайшем будущем.

(A) Схема экспериментальной установки для измерения влияния классической гравитации на квантовые массы. Пара масс (черным цветом) подвешены как гармонические осцилляторы, которые взаимодействуют друг с другом гравитационно, что описывается гамильтонианом ĤG [Ур. (7)] и Линдбладианом 𝓛G [Ур. (8)]. Пара интерферометров (серым цветом) непрерывно измеряют их смещения; записи этих измерений используются для оценки перекрестной корреляции между флуктуациями их смещений Sx1x2. (B) Теоретический прогноз для перекрестной корреляции Sx1x2. Здесь метка «Quantum» соответствует установке ε = 0, в этом случае гравитация является квантовым полем; «Classical» соответствует ε = 1. Два осциллятора предполагаются идентичными с резонансной частотой ω = 2π ⋅ 100 Гц и скоростью затухания γ = 2π ⋅ 10-3 Гц. Оранжевые линии отображают |Sx1x2|, а синие линии отображают фазу arg Sx1x2. Эффект гравитационного Линдбладиана заключается в увеличении корреляции вдали от резонанса (на коэффициент ω/2γ(2Ñ+1) по сравнению с квантовым случаем) и дополнительном фазовом сдвиге π при расстройке ΔΩ ≈ 2γ(2Ñ + 1) от резонанса.
Почему это так важно?

Представьте себе, что эксперимент действительно подтвердит классическую природу гравитации. Это станет настоящей революцией в физике. Нам придется пересмотреть наши представления о мироздании, отказаться от идеи квантования гравитации и искать принципиально новые подходы к ее описанию.

«В настоящее время квантование гравитации считается аксиомой, — говорит профессор Судхир. — Были приложены огромные усилия для создания квантовой теории гравитации, что привело, в частности, к развитию теории струн. Но если эксперимент покажет, что гравитация классическая, то нам придется вернуться к отправной точке и искать совершенно иную картину мира.»

Впереди еще много работы

Несмотря на многообещающие перспективы, ученые признают, что впереди еще много работы. Необходимо разработать более совершенные теоретические модели, построить экспериментальную установку и решить ряд технических проблем, связанных с измерением крайне слабых гравитационных взаимодействий.

«Для проведения решающего эксперимента нам понадобятся два гравитирующих объекта, эффективная шумоизоляция и высокоточные методы измерения, — заключает Сергей Крыхин. — Только объединив все эти элементы, мы сможем получить ответ на один из самых фундаментальных вопросов в физике.»

Вопрос о природе гравитации остается открытым. Но благодаря новому подходу и предлагаемому эксперименту у нас появилась надежда на то, что в ближайшем будущем мы сможем разгадать эту вековую загадку и продвинуться вперед в понимании устройства Вселенной.

4 комментария

Е
Временнаја константа? Она естј?
D
С чего они так решили, что квантовые процессы лишь вероятностны? Не понятно… Сдается мне, что там все ещё более четко, как в компьютере.
105658563982865434353@google
Потому что кванты представляют собой волну вероятностей. То есть даже любая частица это не объект, а «размазанная» внутри определëнного промежутка волна. И еë с определëнной вероятностью можно обнаружить в любой точке в пределах длины этой волны. Как правило, наибольшая вероятность обнаружения там, где у волны наибольшая энергия.
А квантовое туннелирование выглядит ещё более рандомно.
I
Строго говоря это Копенгагенская трактовка. В ней измерение вероятностно (и она точно работает 😀). Есть и другие трактовки, но при более глубоком разборе там проблем чуть ли не больше. Я предпочитаю жить в вероятностном мире со свободой воли, чем в детерминированном без неё, хотя бы.

Добавить комментарий

Сейчас на главной

Новости

Публикации

Какая змея самая длинная в мире — и почему это вовсе не анаконда

Когда речь заходит о самых длинных змеях на планете, в голове у большинства всплывает одно имя — анаконда. В фильмах она пожирает коров, в байках деревенских жителей — лодки с...

Обзор сумки для инструмента Heimerdinger HTB01 на 28 литров

Большинство тех, кто знаком с брендом Heimerdinger знают, что данный производитель выпускает качественный и недорогой электрический инструмент, совместимый с аккумуляторами Makita LXT. Однако,...

Есть ли физика «после» квантов? Расчеты физиков намекает на миры за квантовой гранью

Квантовая механика — штука поразительная, согласитесь? Чего стоит одна только запутанность: две частицы, связанные невидимой нитью, чувствуют друг друга на любом расстоянии. Мгновенно!...

Безобидный хищник: почему скарита стоит оставить в покое

Недавно наткнулся на любопытного «охранника» наших огородов и дачных участков — скариту. Это небольшой чёрный жучок, которого многие принимают за вредителя. На самом деле он безобиден...

Вселенная «сжульничала» при рождении? Новый эксперимент в ЦЕРНе приближает к пониманию асимметрии материи и антиматерии

Знаете, одна из самых больших загадок Вселенной звучит до смешного просто: почему мы вообще существуем? Точнее, почему существует вся эта материя — звёзды, планеты, мы с...

Зачем редкая рыба из Красного моря светится, чтобы... спрятаться? Удивительная биология рыбы, которую почти никто не видел

Представьте себе бездну океана. Темнота, давление, холод… и вдруг — вспышки света! Биолюминесценция, способность живых существ светиться, — это одно из самых...