Физики разрабатывают лабораторные эксперименты, которые помогут понять истинную природу гравитации.

Квантовую физику часто описывают как самую успешную научную теорию в истории. За сто лет своего существования она объяснила всё: от периодической таблицы элементов до того, как светятся звёзды. Но есть одно фундаментальное явление, которое она не может объяснить: гравитация.

«Совмещение квантовой механики и гравитации — одна из важнейших нерешённых проблем физики», — говорит Кэтрин Зурек, физик-теоретик из Калифорнийского технологического института (Калтех) в Пасадене.

Поколения исследователей пытались создать квантовую теорию гравитации, и их работа привела к появлению сложных математических конструкций, таких как теория струн. Но физики-экспериментаторы не нашли конкретных доказательств ни для одной из них и даже не уверены, как такие доказательства могли бы выглядеть.

Сейчас складывается ощущение, что прорыв может произойти в любой момент. За последнее десятилетие многие исследователи стали с большим оптимизмом смотреть на возможность проверки истинной природы гравитации в лабораторных условиях. Учёные предложили соответствующие эксперименты и работают над повышением точности методов, необходимых для их реализации. «Произошёл огромный скачок как в экспериментальных возможностях, так и в нашем теоретическом понимании того, что мы на самом деле узнаём из таких экспериментов», — говорит Маркус Аспельмейер, физик-экспериментатор из Венского университета и пионер этой работы.

Некоторые из предложенных тестов предполагают использование экспериментальных лазеров, которые могут быть созданы в течение нескольких лет. Другие требуют манипулирования материей настолько амбициозным образом, что их, возможно, никогда не удастся реализовать. Одним из шокирующих результатов может стать вывод, что гравитация, в конце концов, не является квантовым явлением.

Тем не менее, многие исследователи считают, что эта область наконец-то движется в правильном направлении. «Чтобы что-то найти, нужно искать», — говорит Ли Маккаллер, физик-экспериментатор, также работающий в Калифорнийском технологическом институте.

Теории гравитации

Современной общепринятой теорией гравитации является общая теория относительности Альберта Эйнштейна. Она показала, что гравитация — это способ, с помощью которого каждый комок материи воздействует на любой другой. Он искривляет пространство-время, в котором они движутся, подобно тому, как бильярдные шары деформируют упругую поверхность батута и изменяют траектории друг друга, двигаясь по нему.

Общая теория относительности является классической теорией, в отличие от квантовой физики. В последней частица описывается как размытое облако возможностей, и её положение приобретает значение только после измерения. Но теория Эйнштейна рассматривает частицы как объекты, которые в любой данный момент времени находятся в конкретной точке пространства и движутся по чётко определённым траекториям.

Исследователи вкладывают разный смысл в идею квантовой гравитации, говорит Фламиния Джакомини, физик из Швейцарской федеральной политехнической школы (ETH) в Цюрихе. Учёные в целом согласны с тем, что любая квантовая теория гравитации должна включать такие особенности, как объекты, имеющие нечёткие вероятностные распределения, а не определённые местоположения. Некоторые теории также предполагают, что пространство-время состоит из дискретных фрагментов («квантов»), в отличие от гладкого пространства-времени в теории Эйнштейна, но это ни в коем случае не является синонимом квантовой природы гравитации, отмечает она.

В ходе ранних попыток создать квантовую теорию гравитации в 1960-х годах физики-теоретики пытались подставить общую теорию относительности в математическую процедуру, которая преобразует классические уравнения в квантовые (а объекты с чётко определёнными свойствами — в размытые вероятностные облака). Но хотя этот приём хорошо сработал для другой фундаментальной силы природы — электромагнетизма, — в случае теории Эйнштейна он давал бессмысленные результаты, такие как величины, разрастающиеся до бесконечности.

Попытки построить квантовые теории гравитации с нуля привели к некоторым математически согласованным результатам. Самая популярная попытка — это теория струн, которая постулирует, что элементарные частицы на самом деле представляют собой крошечные струны, вибрирующие в невидимых измерениях пространства. В принципе, теория могла бы разрешить некоторые парадоксы в теории известных элементарных частиц, и она предсказывает появление новых элементарных частиц, которые ведут себя так, как физики ожидают от квантов гравитации, или «гравитонов».

Попытка действительно достигает цели превращения гравитации в квантовую теорию. Но исследователи искали экспериментальные подтверждения определённых версий теории струн, пока без успеха. То же самое можно сказать и о петлевой квантовой гравитации — ещё более радикальном подходе, который заменяет структуру пространства-времени (а не только элементарные частицы, находящиеся в нём) крошечными петлями.

Некоторые физики разочаровались из-за отсутствия перспектив проверки, как они их называют, «причудливых конструкций», таких как теория струн. «Мне кажется, люди теряют к ней интерес», — говорит Иветт Фуэнтес, физик-теоретик из Университета Саутгемптона (Великобритания).

Обращение к экспериментам

Вместо разработки новых теорий квантовой гравитации некоторые исследователи надеются с помощью лабораторных испытаний изучить фундаментальные вопросы о том, имеет ли гравитация в своей основе классическую или квантовую природу.

«У нас нет никаких экспериментальных свидетельств того, как гравитация становится квантовой — или того, является ли гравитация вообще квантовым явлением», — говорит физик-экспериментатор Ричард Хаул из Королевского колледжа Лондонского университета.

«Для меня самым крутым было бы провести эксперимент, дающий однозначный ответ», — говорит Аспельмейер.

Один из главных вопросов, занимающих учёных, касается квантового явления «суперпозиции», при котором объект может одновременно находиться в двух состояниях, например, вращаться в противоположных направлениях или двигаться сразу по двум разным траекториям. В любой квантовой версии общей теории относительности взаимодействие частиц наподобие бильярдных шаров, по-видимому, привело бы само пространство-время в состояние суперпозиции, при котором пространство искривлялось бы одновременно вдоль одной траектории и вдоль другой. Теоретики задаются вопросом, какое гравитационное притяжение должен будет ощущать в таком случае один из шаров: пойдёт ли он одновременно по двум траекториям, разделив свой путь на две части? Или, если никакой квантовой суперпозиции не происходит, возможно, он пройдёт между двумя путями, усреднив оба притяжения?

С другой стороны, заставит ли само присутствие второго шара первый шар «выбрать», по какой траектории он движется, точно так же, как измерительное устройство «заставляет» частицу определиться со своим положением?

В последнее десятилетие теоретики поняли, что эти идеи можно экспериментально различить с помощью своеобразного квантового явления — запутанности. В квантовой механике, когда два объекта взаимодействуют, они могут перейти в общее «запутанное» состояние. Это означает, что, когда измеряется свойство первого объекта и оно приобретает определённое значение, соответствующее свойство другого объекта также фиксируется.

Основная идея заключается в том, что если два объекта могут вступить в состояние запутанности благодаря взаимному гравитационному притяжению в отсутствие каких-либо других взаимодействий, то гравитация, следовательно, должна иметь квантовую природу.

Всё это звучит абстрактно, но исследователи разрабатывают множество схем, чтобы воплотить эту идею на практике.

В одном из экспериментов, задуманных Аспельмейером, крошечная частица в вакууме помещается в суперпозицию состояний, соответствующих разным положениям. Затем исследователи наблюдают, вступила ли в запутанность с ней вторая, находящаяся поблизости частица, которая ощущает гравитационное притяжение первой, но не подвергается воздействию никаких других сил.

Аспельмейер находится в авангарде усовершенствования методов, позволяющих это осуществить, — хотя полноценный эксперимент пока провести невозможно.

Одна из основных проблем заключается в том, что поместить объект в суперпозицию положений тем сложнее, чем больше его размер, — в конце концов, такие эффекты никогда не наблюдаются в макроскопических масштабах повседневной жизни.

На данный момент исследователи достигли этого с молекулами, состоящими из тысяч атомов, и добились значительных прорывов в том, чтобы заставить относительно крупные объекты, такие как крошечные стеклянные шарики, левитирующие под действием лазерных лучей, демонстрировать другие аспекты квантового поведения. Важным шагом стало замедление частиц настолько, что их движение раскрывает квантовую природу, отмечает Аспельмейер: например, они приобретают дискретные уровни энергии, когда оказываются в ловушке электромагнитного поля. Этого результата впервые добились в 2020 году.

Для эксперимента, о котором мечтает Аспельмейер, необходимо, чтобы два объекта не только демонстрировали квантовое поведение, но и обладали достаточной массой, чтобы оказывать друг на друга значительное гравитационное притяжение. Поскольку гравитация чрезвычайно слаба, для этого потребуются массы не менее 22 микрограммов, то есть объекты, состоящие из квинтиллионов атомов.

Аспельмейер пока не может измерить крошечное гравитационное взаимодействие, которое возникло бы между этими объектами. В 2021 году он сообщил, что сделал это с гораздо более крупными частицами, имеющими массу 90 миллиграммов. Он прикрепил две такие массы к концам крошечной палочки, которая была подвешена горизонтально с помощью верёвки, прикреплённой к её середине. Затем он поднёс третью массу весом 90 мг близко к одному из концов и наблюдал эффект этого гравитационного притяжения, измеряя вращение палочки.

Одна из проблем при измерении очень маленьких объектов и их гравитационных полей заключается в том, что их чрезвычайно трудно изолировать от других взаимодействий, которые, как правило, намного сильнее гравитации. Такая изоляция необходима в эксперименте, который хочет провести Аспельмейер, чтобы исследователи были уверены: любой наблюдаемый эффект вызван именно гравитацией.

Суджато Бозе, физик-теоретик из Университетского колледжа Лондона (UCL), и другие учёные предложили смежный эксперимент и получили некоторое финансирование на него. Идея заключается в том, чтобы частицы находились в свободном падении: исследователи предлагают привести микроскопический алмазный кристалл в суперпозицию, при которой он одновременно падает по двум параллельным траекториям, и проделать то же самое с другим таким же кристаллом. (В каждом кристалле это достигается путём приведения в суперпозицию одного из его спиновых состояний и последующего приложения магнитных полей; кристаллы отклоняются по-разному в зависимости от того, куда направлены их спины, потому что спин — квантовое свойство субатомных частиц — действует подобно крошечному стержневому магниту). В общей сложности получаются четыре траектории, все параллельные друг другу, благодаря чему два кристалла оказываются на различных расстояниях друг от друга, а значит — в суперпозиции состояний, при которых они испытывают гравитационное притяжение разной силы.

Затем каждый кристалл снова выведут на одну траекторию, и считывание их квантовых состояний покажет, стали ли они запутанными, — результат, который, как полагают, мог бы возникнуть только благодаря гравитации. Однако Бозе говорит, что каждый из этих шагов будет невероятно трудно осуществить, и могут пройти многие десятилетия, прежде чем экспериментальные методы позволят проверить эту идею. (Другие группы учёных выдвигали похожие предложения).

Другие способы проверки гравитации

Хотя Бозе и другие считают, что способность создавать запутанность является ключом к доказательству квантовой природы гравитации, другие утверждают, что реальность может быть более тонкой.

«Вы на самом деле не доказываете, что гравитация является квантовой; вы создаёте некую модель того, что, по вашему мнению, означало бы отсутствие квантовой природы у гравитации, а затем пытаетесь исключить эту возможность», — говорит Дэниел Карни, теоретический физик из Национальной лаборатории Лоуренса Беркли в Калифорнии.

Если гравитация может запутывать объекты, говорит он, то это, безусловно, не будет классическим явлением, «но что это означает для всей структуры гравитационного поля — вопрос открытый».

Другие группы разработали концепции проверки квантового характера гравитации без использования запутанности. Одна из них, разработанная Хаулом совместно с Фуэнтес и теоретиком Роджером Пенроузом из Оксфордского университета (Великобритания), предполагает подвесить облако холодных атомов, находящихся в едином квантовом состоянии — так называемый бозе-эйнштейновский конденсат (БЭК). Затем гравитационное притяжение частиц облака будет влиять на его эволюцию, и это влияние будет зависеть от того, является ли гравитация квантовой или классической. В частности, классическая гравитация никогда не заставит атомы в БЭК двигаться так, чтобы их распределение перешло от нормального распределения (кривой, имеющей один пик) к распределению с несколькими пиками. По словам Хаула, можно было бы измерить, происходит ли такой сдвиг, зондируя один БЭК другим.

Здесь экспериментальная сложность заключается в том, что БЭК обычно состоят из миллионов атомов, но это число придётся увеличить в 10 миллионов раз, чтобы гравитационное притяжение стало измеримым, говорит Фуэнтес, — хотя различные приёмы квантовых технологий могли бы смягчить это требование.

Настольный лазерный тест

Некоторые идеи квантовой гравитации, возможно, легче проверить в лаборатории. Одна из них — это иная квантовая теория гравитации, разработанная Зурек и её коллегами. Избегая теории струн или других попыток квантования общей теории относительности, она берёт за отправную точку базовые симметрии общей теории относительности, такие как законы, определяющие, как меняется время при изменении системы отсчёта наблюдателя.

Зурек утверждает, что, согласно её теории, если бы гравитация имела квантовую природу, это привело бы к появлению обнаруживаемых явлений, таких как постоянное случайное колебание структуры пространства-времени.

Маккаллер разрабатывает экспериментальную проверку под названием «Гравитация из квантовой запутанности пространства-времени» (GQuEST), и доказательство принципа должно быть готово в следующем году. На первый взгляд GQuEST будет выглядеть как настольная версия Лазерной интерферометрической гравитационно-волновой обсерватории (LIGO) — детекторов, которые обнаружили гравитационные волны в 2015 году. В детекторе LIGO лазерный луч разделяется на два и направляется по двум плечам, расположенным в форме буквы L. Затем оба луча отражаются от зеркал и возвращаются, чтобы соединиться в центральной точке.

Маккаллер, который играл ведущую роль в работах по повышению чувствительности LIGO, сейчас использует аналогичную схему для обнаружения случайных растяжений пространства. Теория Зурек, хотя и находится ещё в стадии разработки, даёт точные предсказания относительно такого сигнала: он будет выглядеть как редкие фотоны с характерной частотой, ниже частоты лазера. Маккаллер говорит, что для извлечения этих фотонов из луча ему потребуется фильтровать фотоны с поразительной эффективностью, эквивалентной способности взять литр воды и выделить из него одну молекулу. «Все говорят: „Я поверю, когда увижу“», — говорит он, но он уверен, что сможет заставить это работать.

Постквантовые теории

Всё ещё возможно, что классическая гравитация может сосуществовать с квантовой физикой. Эта идея долгое время считалась еретической, и исследователи утверждали, что она логически невозможна.

Но сейчас к ней относятся более серьёзно, отчасти благодаря модели, разработанной Джонатаном Оппенгеймом, теоретиком, также работающим в UCL. В его «постквантовой» теории гравитация и пространство-время являются классическими, но подвержены случайным флуктуациям.

Это достигается за счёт того, что физика становится по сути недетерминированной, что многим физикам трудно принять, — но при этом удаётся обойти логические противоречия, обнаруженные предыдущими исследователями, чьи работы исходили из того, что детерминизм не может быть нарушен. «Мы пришли к выводу, что пространство-время и квантовая механика могут быть совместимы, если только происходит нарушение предсказуемости», — говорит Оппенгейм. В то же время, по словам Оппенгейма, его теория может разрешить ещё один парадокс: почему чёрные дыры, казалось бы, стирают информацию по мере своего медленного испарения — явление, предсказанное полвека назад покойным физиком Стивеном Хокингом. Это тоже, казалось бы, нарушает детерминизм, — но в теории Оппенгейма это больше не будет парадоксом.

Помимо разработки своей теории, Оппенгейм предложил способы её проверки. Один из них заключается в обнаружении следов флуктуаций гравитационного поля в виде крошечных случайных рывков в движении свободно падающих объектов.

Оппенгейм и его коллеги искали признаки такого рода шума в данных, собранных в 2015–2017 годах на борту зонда LISA Pathfinder Европейского космического агентства, который удерживал объекты в состоянии свободного падения и проводил измерения в качестве испытательной платформы для последующих работ по обнаружению гравитационных волн. Они не обнаружили никаких подобных признаков, — но это может означать лишь то, что зонд, возможно, не обладал достаточной чувствительностью для улавливания этих сигналов. Оппенгейм говорит, что более строгие проверки можно будет получить как в результате эксперимента Маккаллера, так и в ходе полномасштабной миссии LISA, цель которой — обнаружить гравитационные волны в космосе после запуска в 2030-х годах.

Карни также разработал вместе со своими коллегами теорию, которая объясняет гравитацию без квантов. Его модель следует идее, существующей уже несколько десятилетий: согласно ей, то, что наблюдается как гравитация, является результатом склонности природы к хаосу — или, как физики называют это, к повышению энтропии.

Как и другие неквантовые объяснения, это внесло бы в мир элемент непредсказуемости. Карни сотрудничает с физиком-экспериментатором Хольгером Мюллером из Калифорнийского университета в Беркли, чтобы проверить некоторые точные предсказания модели, изучая случайные колебания в движении атомов, свободно падающих в вакууме. Карни говорит, что по-прежнему готов поспорить на то, что гравитация является квантовой, и считает это и другие неквантовые объяснения маловероятными. Но, по его словам, эксперимент стоит того, чтобы его провести. «Можно всерьёз подумать о том, чтобы проверить это. Для меня это очень захватывающе».

Также возможно, что гравитация окажется ни классическим, ни квантовым явлением и потребует совершенно новых идей, говорит Сабина Хоссенфельдер, независимый физик из Франкфурта, Германия.

А некоторые говорят, что всё ещё могут найтись способы проверить даже теорию струн. «Очень трудно придумать эксперименты, которые гарантированно дадут вам ответ», — говорит Джозеф Конлон, физик-теоретик из Оксфордского университета, — хотя учёным всё же может и повезти.

Астрофизики, изучающие гравитационное излучение с чрезвычайно длинными волнами, например, путём наблюдения за пульсирующими нейтронными звёздами, ищут следы гипотетических объектов из теории струн, называемых космическими струнами, которые могут простираться по всей Вселенной. Природа струн может проявиться в условиях чрезвычайно высоких энергий, характерных для Большого взрыва. Это также могло бы привести к возникновению гравитационных волн, на этот раз с очень короткими волнами, которые можно будет обнаружить с помощью настольных приборов, находящихся сейчас в стадии разработки.

Большинство предложенных экспериментов потребуют по крайней мере десятилетия для реализации, а некоторые могут занять гораздо больше времени. Но после того, что казалось длительным тупиком в фундаментальной физике, многие теперь испытывают больше надежды. «Я думаю, что это новая эра в исследованиях квантовой гравитации, — говорит Оппенгейм. — Теперь мы можем вести этот диалог с природой, а не просто вслепую строить модели».