Лаборатория вместо Юпитер: физиците са намерили начин да открият гравитона

Изследователите смятат, че квантовата физика може да обясни гравитацията.

Идеята за откриването на гравитон – хипотетичната частица, за която се смята, че носи силата на гравитацията – отдавна привлича учените, но се смята за непрактична. По принцип, ако поведението на силното, слабото и електромагнитното взаимодействие може да се опише с помощта на съответните частици (глюони, бозони и фотони), не е изключено някаква елементарна частица – гравитон – да отговаря за гравитационното взаимодействие.

Теоретичните изчисления показваха, че за регистрирането на един гравитон ще е необходимо съоръжение с размерите на Земята, въртяща се около Слънцето, и дори тогава частицата може да бъде открита само веднъж на милиард години. Алтернативно изчисление, представено в друго изследване, показва, че за провеждането на експеримента в рамките на едно десетилетие ще е необходим детектор с размерите на Юпитер, при това в близост до неутронна звезда.

Едно неотдавнашно предложение обаче оспорва това традиционно схващане. Екип от физици е разработил нов метод, основан на комбинация от настоящите познания за гравитационните вълни – вибрации в тъканта на пространство-времето – и напредъка в квантовата технология. Предложеният метод дава надежда за откриване на гравитон или поне на квантово събитие, което е тясно свързано с него. Експериментът е широкомащабен и сложен тест, но теоретично може да се проведе в рамките на обикновена лаборатория и да приключи за няколко години активни изследвания.

Според общата теория на относителността на Алберт Айнщайн гравитацията се обяснява като плавно изкривяване на пространство-времето, за разлика от други фундаментални сили като електромагнетизма, които са кванти енергия. Потвърждаването на съществуването на гравитона би доказало, че гравитацията също е съставена от квантови частици, което значително би променило представата за природата на тази сила. В продължение на десетилетия учените се опитват да разгадаят квантовата природа на гравитацията и ако откриването на гравитона се окаже успешно, това ще бъде знакова стъпка напред, потвърждаваща теоретичната им работа.

Въпреки че предложеният експеримент изглежда постижим, точната интерпретация на резултатите може да се окаже трудна. Най-простото обяснение за положителния резултат включва потвърждаване на съществуването на гравитони. Въпреки това физиците са установили, че подобни резултати могат да бъдат интерпретирани и по други начини, като не е задължително да показват наличието на квантови гравитационни частици.

Експерименталното изследване на гравитацията се усложнява от факта, че тази сила е изключително слаба. Значителното изкривяване на пространство-времето изисква огромни маси като планети или звезди. Докато електромагнитната сила е достатъчно силна, за да може малък магнит да задържи предмети върху метална повърхност, гравитацията изисква големи мащаби, за да се прояви. Така например, за да регистрират гравитационните вълни, причинени от сблъсък на черни дупки, учените се нуждаят от инсталации като лазерния интерферометър LIGO, дълги няколко километра. Очаква се откриването на един отделен гравитон да се окаже още по-трудно, почти като опит да се улови една молекула в гигантска океанска вълна.

През последните години обаче напредъкът в експерименталната технология донякъде улесни нещата. На първо място, обсерваторията LIGO започна редовно да улавя гравитационни вълни от черни дупки и неутронни звезди, които осигуряват по-силни колебания на пространство-времето от нормалната звездна активност и по този начин по-голям шанс за откриване. Второ, напредъкът в квантовата технология позволява на експериментаторите да изграждат и контролират сложни квантови системи, които потенциално могат да улавят гравитационните взаимодействия.

В един наскоро предложен експеримент учените планират да използват плочка берилий с тегло около 15 кг, охладена до почти абсолютна нула, при което тя достига минималното си енергийно състояние. В това състояние атомите на берилия действат като единична квантова система, способна да улавя слабите флуктуации в пространство-времето. Според изчисленията около една на всеки три гравитационни вълни, създадени от сливането на неутронни звезди, може да накара берилиевото тяло да се колебае с един квант енергия, което би показало квантово взаимодействие. Такъв резултат би показал, че гравитацията може да се проявява под формата на кванти.

Този експеримент няма да даде окончателен отговор на въпроса за квантовата природа на гравитацията, тъй като има алтернативни обяснения за получените резултати, които не изискват квантова интерпретация на гравитацията. Въпреки това много учени виждат в него възможно начало на нова ера в изучаването на квантовата гравитация. Докато в миналото подобни изследвания изглеждаха невероятно трудни, сега, благодарение на напредъка в квантовите технологии, шансовете за осъществяването им изглеждат много по-реалистични.

Бъдещите експерименти могат да бъдат насочени към потвърждаване на по-сложни квантови явления като суперпозиция и заплитане в гравитационните взаимодействия. Доказването на подобни явления значително би укрепило позициите на квантовата теория на гравитацията и учените вече разработват възможни методи за тяхното тестване. Въпреки че нито един от тези експерименти не може да предостави абсолютно железни доказателства, всеки от тях ще бъде значителна стъпка към разбирането на фундаменталните свойства на гравитацията – най-слабата известна сила.

Масивен блок берилий, охладен до краен предел, може да бъде първият практически инструмент, който физиците да използват, за да направят първите стъпки към разбирането на квантовата природа на гравитацията. Този експеримент ще бъде отправната точка, която ще подтикне научната общност към по-нататъшни изследвания и възможното откриване на нови закони на физиката, които ще помогнат да се отговори на древните въпроси за структурата на Вселената.