Получится ли заморозить гравитацию? Ученые остужают мир до квантовых пределов, чтобы проверить квантовую природу гравитации
Одна из величайших загадок, будоражащих умы физиков уже не одно десятилетие, — это природа гравитации. Мы знаем о ней, казалось бы, всё: яблоки падают, планеты вращаются вокруг звезд, галактики удерживаются вместе. Но стоит копнуть глубже, на уровень фундаментальных частиц и взаимодействий, как стройная картина мира начинает рассыпаться. Гравитация, эта всепроникающая сила, до сих пор остается «белой вороной» в компании трех других фундаментальных сил — электромагнитной, слабой и сильной. Почему? Потому что для нее пока нет общепризнанной квантовой теории. И вот, недавний прорыв ученых из MIT, сумевших охладить макроскопический объект до сверхнизких температур, может стать ключом к этой вековой тайне.
Почему гравитация — «белая ворона» физики?
Представьте себе мир, описанный двумя великолепными, но, увы, не до конца совместимыми теориями. С одной стороны — Общая теория относительности Эйнштейна, блестяще описывающая гравитацию как искривление пространства-времени под действием массы и энергии. Она прекрасно работает в масштабах планет, звезд и галактик. С другой — квантовая механика, царящая в микромире атомов и элементарных частиц. Она описывает три остальные фундаментальные силы как обмен специальными частицами-переносчиками.
Проблема в том, что эти две теории никак не могут «договориться» друг с другом. Попытки создать «теорию всего», которая бы объединила гравитацию с квантовым миром, предпринимаются постоянно — вспомним теорию струн или петлевую квантовую гравитацию. Но все они пока остаются гипотезами, лишенными прямого экспериментального подтверждения. А без эксперимента, как известно, физика превращается в математическую философию.
Главный вопрос, который стоит перед учеными: является ли гравитация по своей сути квантовой, подобно другим силам? Или же она — нечто принципиально иное, классическое явление, которое лишь выглядит квантовым из-за нашего незнания? Чтобы ответить на него, нужен эксперимент, способный «пощупать» гравитацию на том уровне, где квантовые эффекты становятся заметны. И вот здесь начинаются настоящие сложности. Гравитация — невероятно слабая сила. Чтобы ее квантовые проявления стали ощутимы, нужны либо колоссальные энергии, недостижимые в лабораториях, либо… невероятно чувствительные приборы и объекты, балансирующие на грани классического и квантового миров.
На стыке миров: как «поймать» квантовую гравитацию?
Именно по второму пути пошла команда исследователей под руководством Донгчела Шина из Массачусетского технологического института. Их идея, как это часто бывает в науке, элегантна и остроумна: взять достаточно массивный объект, чтобы он заметно взаимодействовал с гравитационным полем, и одновременно охладить его до такой степени, чтобы его собственное «тепловое дрожание» не заглушало тончайшие квантовые эффекты.
В качестве такого объекта был выбран крутильный осциллятор — по сути, миниатюрный маятник сантиметрового размера. Это не случайный выбор. Крутильные маятники — ветераны гравитационных исследований. Еще в 1798 году Генри Кавендиш с их помощью впервые измерил гравитационную постоянную. С тех пор они верой и правдой служат для проверки законов тяготения и поиска новых, гипотетических взаимодействий.
Но как «успокоить» такой маятник, избавив его от теплового шума? Здесь на помощь пришла технология, давно и успешно применяемая в атомной физике, — лазерное охлаждение. С 1980-х годов ученые научились с помощью лазеров «замораживать» атомы до температур, близких к абсолютному нулю (микро- и нанокельвины). Такие ультрахолодные атомные газы, кстати, лежат в основе самых точных атомных часов.
Новизна работы команды Шина как раз и заключается в том, что они впервые смогли применить эту «атомную» технологию охлаждения к макроскопическому крутильному осциллятору. Это настоящий прорыв, объединяющий два ранее почти не пересекавшихся мира: мир классической гравитационной физики и мир квантовой оптики.
Танец лазера и маятника: охлаждение до квантовых пределов
Итак, представьте себе сантиметровый маятник. Его нужно охладить. Для этого ученые использовали хитрую систему, основанную на так называемом оптическом рычаге. Суть метода проста: луч лазера направляется на зеркальце, закрепленное на осцилляторе. Малейший поворот осциллятора приводит к значительному смещению отраженного луча на специальном детекторе. Таким образом, даже микроскопические колебания маятника можно измерить.
Но есть одна загвоздка. Сам лазерный луч тоже не идеален — он может немного «дрожать» из-за вибраций, потоков воздуха или несовершенств оптики. Это дрожание («джиттер», как говорят специалисты) создает ложный сигнал, который может полностью замаскировать истинное движение маятника. Словно пытаться услышать шепот во время рок-концерта.
Чтобы обойти эту проблему, команда применила остроумное решение. Они использовали не один, а два лазерных луча. Один, как и положено, взаимодействовал с осциллятором. А второй, его «близнец», отражался от неподвижного уголкового отражателя, который инвертировал собственный джиттер луча, но не реагировал на движение маятника. Затем сигналы от обоих лучей комбинировались на детекторе таким образом, что паразитный шум от джиттера лазера взаимно вычитался, а полезный сигнал от движения осциллятора сохранялся. Это немного похоже на то, как работают наушники с активным шумоподавлением, но на куда более тонком уровне.
Результат превзошел ожидания: уровень шума удалось снизить в тысячу раз! Это позволило не только с невероятной точностью измерять колебания маятника, но и активно их подавлять, используя обратную связь — по сути, «подталкивая» маятник лазерным светом в нужную сторону, чтобы погасить его колебания. Таким образом, осциллятор удалось охладить от комнатной температуры до впечатляющих 10 милликельвинов (это всего лишь одна сотая градуса выше абсолютного нуля). Важно отметить, что достигнутая точность измерений оказалась почти в 10 раз выше, чем уровень собственных квантовых нулевых флуктуаций осциллятора. Говоря простым языком, даже при абсолютном нуле объект не может быть абсолютно неподвижен из-за фундаментальных квантовых законов — это и есть нулевые флуктуации. Увидеть движение «тише» этого предела — огромное достижение.
Что дальше? На пороге новых открытий
Несмотря на впечатляющий результат, ученые подчеркивают: это только начало пути. Десять милликельвинов — это очень холодно, но для окончательного ответа на вопрос о квантовой природе гравитации нужно двигаться дальше, к достижению так называемого основного квантового состояния осциллятора. Это состояние, когда его энергия минимальна и определяется только квантовыми законами.
Для этого исследователи планируют усовершенствовать свою установку: использовать оптические резонаторы для усиления взаимодействия света с маятником или применить более сложные методы оптического захвата.
А какова конечная цель? Создать систему из двух таких ультрахолодных осцилляторов, которые будут взаимодействовать друг с другом исключительно посредством гравитации. Если удастся зафиксировать, что это гравитационное взаимодействие подчиняется квантовым законам (например, приводит к квантовой запутанности осцилляторов), это станет прямым и неопровержимым доказательством квантовой природы гравитации. И это, без преувеличения, изменит наше понимание Вселенной.
Работа команды MIT — яркий пример того, как фундаментальная наука движется вперед. Она требует не только глубоких теоретических знаний в самых разных областях (от теории относительности до квантовой механики), но и виртуозного владения экспериментальной техникой, навыков в нанофабрикации, оптике, электронике и системном проектировании. Как отметил сам Донгчел Шин, его инженерный бэкграунд, сочетающий теорию и практику, оказался бесценным в этом междисциплинарном поиске.
Так что, пока физики-теоретики строят все более изощренные модели квантовой гравитации, экспериментаторы, шаг за шагом, охлаждая крошечные маятники лазерным светом, приближают нас к моменту, когда мы, возможно, наконец-то сможем «взвесить» гравитацию на квантовых весах и понять ее истинную природу. И кто знает, какие еще тайны Вселенной откроются нам на этом пути?