Гравитоните все пак могат да бъдат уловени. Но дали това ще докаже квантовата природа на гравитацията?

В продължение на почти един век физиката живее в състояние на тих разкол. От едната страна е величествената сграда на общата теория на относителността на Айнщайн, която описва гравитацията като плавна, непрекъсната кривина на пространство-времето. От другата страна е странният и невероятно успешен свят на квантовата механика, където всички сили и частици се държат като дискретни частици или „кванти“. Тези два стълба на съвременната наука работят отлично в своите области, но отчаяно не искат да се примирят един с друг.

Мостът между тях би трябвало да е гравитонът – хипотетична частица, квант на гравитационното поле. Нейното откриване би било най-големият триумф, потвърждаващ, че гравитацията, както и другите фундаментални сили, е квантова по природа. Проблемът? До неотдавна задачата се смяташе за практически невъзможна. А сега, когато група физици предложиха елегантен и изненадващо реалистичен начин за „чуване“ на гравитона, избухна нов спор: дали това наистина ще докаже нещо?

Гравитонът: защо е толкова трудно да бъде уловен?

Представете си, че се опитвате да чуете шепот на един човек на рок концерт. Приблизително толкова трудно е да се открие един гравитон. Гравитацията е учудващо слаба сила. Магнит с размерите на пощенска марка може лесно да задържи сувенир на хладилника ви, побеждавайки гравитационното привличане на цялата планета Земя.

Поради тази слаба сила гравитационните ефекти стават видими само в мащаба на планетите и звездите. За да се появят гравитационни вълни – пулсации в тъканта на пространство-времето – са необходими катаклизми от космически мащаб, като сливане на черни дупки. Но дори тези титанични събития създават вълни, хиляди пъти по-малки от диаметъра на протона на Земята. Обсерваторията LIGO се е научила да ги регистрира, но това все още е регистрация на цялата „вълна“, а не на отделните ѝ „капки“ – гравитоните.

Изчисленията от последните години рисуваха потискаща картина. Физикът Фрийман Дайсън изчисли, че детектор с размерите на Земята за цялото съществуване на Слънцето ще улови от него само няколко гравитона. Други изчисления предлагаха да се построят машини с размерите на Юпитер и да се разположат в близост до неутронни звезди. С други думи, това е задача за далечното бъдеще или за друга цивилизация.

Квантова камбана за космическите пулсации.

Всичко това се промени с една нова идея, предложена от екипа на физика Игор Пиковски. Тяхната работа обръща проблема с главата надолу. Вместо да преследват един неуловим гравитон, те предлагат да подслушват неговите ефекти в специално подготвена система.

Тяхната концепция напомня на фин музикален инструмент:

• Взема се слитък берилий с тегло около 15 кг.
• Той се охлажда до температура, близка до абсолютната нула. В това състояние почти цялата топлинна енергия се отстранява и слитъкът престава да „трепери“. Той замръзва в най-ниското си възможно енергийно състояние – „основно състояние“.
• Най-важният момент: при тази температура всички атоми на слитъка започват да се държат като един гигантски квантов обект. Това вече не е просто парче метал, а своеобразен „макроатом“.

След това тази „квантова камбана“ е готова. Когато гравитационна пулсация от сливане на неутронна звезда – истинско цунами от гравитони – премине покрай Земята, има голяма вероятност поне един от тях да взаимодейства със слитъка. Това взаимодействие ще предаде точно един квант енергия на слитъка. „Камбаната“ тихо ще „звънне“, преминавайки към следващото енергийно ниво. След като запишат този скок синхронно със сигнала от обсерваторията LIGO, учените ще могат да кажат със сигурност: станахме свидетели на квантово събитие, причинено от гравитацията.

Изведнъж задачата се превърна от научна фантастика в „невероятно трудна, но осъществима през следващите години“. Това ще се превърне в първия в историята прозорец към света на експерименталната квантова гравитация. Но точно тук историята прави изненадващ завой.

Дежавю от 1905 г.: призракът на фотона

Иронията е, че предложеният експеримент всъщност е гравитационен аналог на опита, който преди повече от сто години донесе на Айнщайн Нобелова награда и, както обикновено се смята, доказа съществуването на фотона. Става дума за фотоелектричния ефект.

Същността на загадката е проста: защо слабата синя светлина може да избие електроните от метала, а всяка, дори най-ослепителната, червена светлина – не? Айнщайн предположи, че светлината е съставена от порции – кванти (фотони), а енергията на всеки квант зависи от неговия цвят (честота). Сините фотони имат достатъчно енергия, за да „изхвърлят“ електрон, докато червените фотони не могат, независимо колко са.

Изглежда, че всичко е ясно. Но научната общност, включваща такива гиганти като Нилс Бор и Макс Планк, не бърза да се съгласи. Те представиха контра-идея, известна днес като полукласическа теория. Какво ще стане, ако само материята (електроните в метала) е квантифицирана, а светлината остане класическа, непрекъсната вълна?

Представете си дете на люлка. За да го люлеете, трябва да го бутате с определена, резонансна честота. Ако я бутате хаотично, това няма да се получи. Полукласическата теория твърди същото: електроните в метала са като люлка със собствена „резонансна честота“. Само светлинни вълни с подходяща честота (синя) могат да прехвърлят енергия към тях, но вълни с различна честота (червена) не могат, независимо колко мощни са.

От гледна точка на това обяснение не светлината е количествено измерима, а само нейното взаимодействие с материята. Бяха необходими десетилетия и съвсем различни експерименти (например сблъсъци на фотони с електрони), за да се затвори най-накрая този пропуск и да се докаже, че фотонът е реална частица, а не илюзия.

Какво наистина ще докажем? Война на интерпретациите

Днес търсачите на гравитони се намират в същата ситуация, в която са били физиците в началото на XX век. Експериментът на Пиковски може да проработи. Но какво ще докаже той?

Лагерът на прагматиците (представляван например от нобеловия лауреат Франк Вилчек) твърди, че положителният резултат би бил колосален пробив. Да, теоретично е възможно да се стигне до „полукласически“ модел, при който класическите гравитационни вълни се възбуждат от квантов детектор. Но такива модели изглеждат изкуствени, нарушават фундаментални принципи като закона за запазване на енергията и, честно казано, малко хора ги харесват. За огромното мнозинство физици това ще бъде убедителен сигнал: гравитацията е квантова и ние сме на прав път.

Лагерът на „юристите“ (Даниел Карни е техен говорител) възразява: това не е достатъчно. Ние вече приемаме, че всичко в света е квантово. Това, от което се нуждаем, не са „убедителни сигнали“, а железни доказателства, които изключват всякакви, дори и най-екзотичните алтернативи. Според тях експериментът на Пиковски не затваря основната вратичка: той не доказва, че самите гравитационни вълни се състоят от дискретни частици. Той само показва, че енергията им се предава на материята в количествено определени части.

За да се получи неопровержимо доказателство, би било необходимо да се изградят същите тези детектори с размерите на планета и да се уловят единични гравитони един по един.

Първата стъпка по един дълъг път

И така, какво ще получим в крайна сметка? Стоим на прага на експеримент, който може да се превърне в един от най-важните експерименти във физиката на 21-ви век. Той няма да даде окончателен отговор, но ще бъде първата истинска стъпка в неизследваните земи, където се срещат гравитацията и квантовата механика.

Дори този опит да не се превърне в „окончателно доказателство“ за съществуването на гравитона, той ще открие ерата на експерименталната квантова гравитация. Той ще послужи като отправна точка за нови, още по-сложни експерименти, които ще проверят други аспекти на квантовата природа на гравитацията – суперпозиция, заплитане.

Може би битката за гравитона, както и битката за фотона, ще продължи десетилетия. Но първият изстрел е на път да бъде даден. И дори да породи повече въпроси, отколкото отговори, той ще означава, че най-накрая сме започнали да задаваме правилните въпроси на природата за нейната най-фундаментална структура.