Физики нашли способ увидеть «улыбку» квантовой гравитации

В 1935 году, когда квантовая механика и общая теория относительности Эйнштейна были очень молоды, не шибко известный советский физик Матвей Бронштейн, будучи в возрасте 28 лет, сделал первое подробное исследование на тему согласования этих двух теорий в квантовой теории гравитации. Эта, «возможно, теория всего мира в целом», как писал Бронштейн, могла бы вытеснить классическое эйнштейново описание гравитации, в котором она видится кривыми в пространственно-временном континууме, и переписать его квантовым языком, как и всю остальную физику.

Бронштейн выяснил, как описать гравитацию в терминах квантованных частиц, теперь называемых гравитонами, но только когда сила гравитации слаба — то есть (в общей теории относительности) когда пространство-время настолько слабо изогнуто, что будет практически плоским. Когда гравитация сильная, «ситуация совершенно другая», писал ученый. «Без глубокого пересмотра классических понятий, кажется практически невозможным представить квантовую теорию гравитации и в этой области».

Его слова были пророческими. Восемьдесят три года спустя, физики все еще пытаются понять, как пространственно-временная кривизна проявляется в макроскопических масштабах, вытекая из более фундаментальной и предположительно квантовой картины гравитации; возможно, это самый глубокий вопрос в физике. Возможно, если бы был шанс, светлая голова Бронштейна ускорила бы процесс этого поиска. Помимо квантовой гравитации, он также сделал вклад в астрофизику и космологию, теорию полупроводников, квантовую электродинамику и написал несколько книжек для детей. В 1938 году он попал под сталинские репрессии и был казнен в возрасте 31 года.

Поиск полной теории квантовой гравитации осложняется тем, что квантовые свойства гравитации никогда не проявляются в реальном опыте. Физики не видят, как нарушается эйнштейново описание гладкого пространственно-временного континуума, либо бронштейново квантовое приближение его в слабо искривленном состоянии.

Проблема заключается в крайней слабости гравитационной силы. В то время как квантованные частицы, передающие сильные, слабые и электромагнитные силы, настолько сильны, что плотно связывают материю в атомы и могут быть исследованы буквально под лупой, гравитоны по отдельности настолько слабые, что у лабораторий нет никаких шансов их обнаружить. Чтобы поймать гравитон с высокой долей вероятности, детектор частиц должен быть настолько большим и массивным, что коллапсирует в черную дыру. Эта слабость объясняет, почему нужны астрономические накопления масс, чтобы оказывать влияние на другие массивные тела посредством гравитации, и почему мы видим гравитационные эффекты на огромных масштабах.

Это не все. Вселенная, по-видимому, подвергается какой-то космической цензуре: области с сильной гравитацией — где пространственно-временные кривые настолько острые, что уравнения Эйнштейна дают сбой, и должна раскрываться квантовая природа гравитации и пространства-времени — всегда прячутся за горизонтами черных дыр.

«Даже несколько лет назад был общий консенсус, что, вероятнее всего, измерить квантование гравитационного поля каким-либо образом невозможно», говорит Игорь Пиковский, физик-теоретик Гарвардского университета.

И вот несколько недавно опубликованных в Physical Review Letters статей изменили положение дел. В этих работах делается заявление, что добраться до квантовой гравитации может быть возможно — даже ничего не зная о ней. Работы, написанные Сугато Бозе из Университетского колледжа Лондона и Кьярой Марлетто и Влатко Ведралом из Оксфордского университета, предлагают технически сложный, но осуществимый эксперимент, который мог бы подтвердить, что гравитация это квантовая сила, как и все остальные, не требуя обнаружения гравитона. Майлз Бленкоу, квантовый физик из Дартмутского колледжа, не принимавший участия в этой работе, говорит, что такой эксперимент мог бы обнаружить четкий след невидимой квантовой гравитации — «улыбку Чеширского Кота».

Предложенный эксперимент определит, могут ли два объекта — группа Бозе планирует использовать пару микроалмазов — стать квантово-механически запутанными между собой в процессе взаимного гравитационного притяжения. Запутанность — это квантовое явление, в котором частицы становятся неразделимо переплетенными, разделяя единое физическое описание, которое определяет их возможные совмещенные состояния. (Сосуществование различных возможных состояний называется «суперпозицией» и определяет квантовую систему). Например, пара запутанных частиц может существовать в суперпозиции, при которой частица А будет с 50-процентной вероятностью вращаться (spin) снизу вверх, а Б — сверху вниз, и с 50-процентной вероятностью наоборот. Никто не знает заранее, какой результат вы получите при измерении направления спина частиц, но вы можете быть уверены в том, что он у них будет одинаков.

Авторы утверждают, что два объекта в предлагаемом эксперименте могут запутаться таким образом лишь в том случае, если сила, действующая между ними, — в данном случае гравитация — будет квантовым взаимодействием, опосредованным гравитонами, которые могут поддерживать квантовые суперпозиции. «Если будет проведен эксперимент и будет получена запутанность, согласно работе, можно сделать вывод, что гравитация квантуется», пояснил Бленкоу.

Запутать алмаз

Квантовая гравитация настолько незаметна, что некоторые ученые усомнились в ее существовании. Известный математик и физик Фримен Дайсон, которому 94 года, с 2001 года утверждает, что вселенная может поддерживать своего рода “дуалистическое” описание, в котором «гравитационное поле, описанное общей теорией относительности Эйнштейна, будет сугубо классическим полем без какого-либо квантового поведения», при этом все вещество в этом гладком пространственно-временном континууме будет квантоваться частицами, которые подчиняются правилам вероятности.

Дайсон, который помогал разрабатывать квантовую электродинамику (теорию взаимодействий между материей и светом) и является почетным профессором Института передовых исследований в Принстоне, Нью-Джерси, не считает, что квантовая гравитация необходима для описания недостижимых недр черных дыр. И он также считает, что обнаружение гипотетического гравитона может быть невозможным в принципе. В таком случае, говорит он, квантовая гравитация будет метафизической, а не физической.

Он не единственный скептик. Известный английский физик сэр Роджер Пенроуз и венгерский ученый Ладжос Диоси независимо предполагали, что пространство-время не может поддерживать суперпозиции. Они считают, что его гладкая, твердая, фундаментально классическая природа препятствует искривлению на два возможных пути одновременно — и именно эта жесткость приводит к коллапсу суперпозиций квантовых систем вроде электронов и фотонов. “Гравитационная декогеренция”, по их мнению, позволяет случиться единой, твердой, классической реальности, которую можно ощущать в макроскопических масштабах.

Возможность найти “улыбку” квантовой гравитации, казалось бы, опровергает аргумент Дайсона. Также она убивает теорию гравитационной декогеренции, показывая, что гравитация и пространство-время действительно поддерживают квантовые суперпозиции.

Предложения Бозе и Марлетто появились одновременно и абсолютно случайно, хотя эксперты отмечают, что они отражают дух времени. Экспериментальные лаборатории квантовой физики по всему миру ставят все более крупные микроскопические объекты в квантовые суперпозиции и оптимизируют протоколы испытаний запутанности двух квантовых систем. Предложенный эксперимент должен будет объединить эти процедуры, требуя при этом дальнейшего улучшения масштаба и чувствительности; возможно, на это уйдет лет десять. «Но физического тупика нет», говорит Пиковский, который также исследует, как лабораторные эксперименты могли бы зондировать гравитационные явления. «Думаю, это сложно, но не невозможно».

Этот план более подробно изложен в работе Бозе и соавторов — одиннадцать экспертов Оушена для разных этапов предложения. Например, в своей лаборатории в Университете Уорика один из соавторов Гэвин Морли работает над первым этапом, пытаясь поместить микроалмаз в квантовую суперпозицию в двух местах. Для этого он заключит атом азота в микроалмазе, рядом с вакансией в структуре алмаза (так называемый NV-центр, или азото-замещенная вакансия в алмазе), и зарядит его микроволновым импульсом. Электрон, вращающийся вокруг NV-центра, одновременно и поглощает свет, и нет, а система переходит в квантовую суперпозицию двух направлений спина — вверх и вниз — подобно волчку, который с определенной вероятностью вращается по часовой стрелке и с определенной — против. Микроалмаз, загруженный этим спином суперпозиции, подвергается воздействию магнитного поля, которое заставляет верхний спин двигаться влево, а нижний — вправо. Сам алмаз расщепляется на суперпозицию двух траекторий.

В полном эксперименте ученые должны сделать все это с двумя алмазами — красным и синим, допустим — расположенными рядом в сверххолодном вакууме. Когда ловушка, удерживающая их, отключится, два микроалмаза, каждый в суперпозиции двух положений, будут падать вертикально в вакууме. По мере падения алмазы будут ощущать гравитацию каждого из них. Насколько сильным будет их гравитационное притяжение?

Если гравитация является квантовым взаимодействием, ответ таков: в зависимости от чего. Каждый компонент суперпозиции синего алмаза будет испытывать более сильное или более слабое притяжение к красному алмазу, в зависимости от того, находится ли последний в ветви суперпозиции, которая ближе или дальше. И гравитация, которую будет ощущать каждый компонент суперпозиции красного алмаза, точно так же зависит от состояния синего алмаза.

В каждом из случаев различные степени гравитационного притяжения воздействуют на эволюционирующие компоненты суперпозиций алмазов. Два алмаза становятся взаимозависимыми, потому что их состояния можно будет определить только в сочетании — если это, значит то — поэтому, в конечном итоге, направления спинов двух систем NV-центров будут коррелировать.

После того как микроалмазы будут падать бок о бок в течение трех секунд, — этого достаточно, чтобы запутаться в гравитациях, — они пройдут через другое магнитное поле, которое снова совместит ветви каждой суперпозиции. Последний шаг эксперимента — протокол «запутанного знания» (entanglement witness), разработанный датским физиком Барбарой Терал и другими: синий и красный алмазы входят в разные устройства, которые измеряют направления спина систем NV-центров. (Измерение приводит к коллапсу суперпозиций в определенные состояния). Затем два результата сопоставляются. Проводя эксперимент снова и снова и сравнивая множество пар измерений спина, ученые могут определить, действительно ли спины двух квантовых систем коррелировали между собой чаще, чем определяет верхний предел для объектов, которые не являются квантово-механически запутанными. Если так, гравитация действительно запутывает алмазы и может поддерживать суперпозиции.

«Что интересно в этом эксперименте, так это то, что вам не нужно знать, что такое квантовая теория», говорит Бленкоу. «Все, что нужно, это утверждать, что есть некий квантовый аспект в этой области, который опосредован силой между двумя частицами».

Технических трудностей — масса. Самый большой объект, который помещали в суперпозицию в двух местах до этого, представлял собой 800-атомную молекулу. Каждый микроалмаз содержит более 100 миллиардов атомов углерода — этого достаточно, чтобы накопить ощутимую гравитационную силу. Распаковка его квантово-механического характера потребует низких температур, глубокого вакуума и точного контроля. «Очень много работы состоит в настройке изначальной суперпозиции и запуске», говорит Питер Баркер, член экспериментальной команды, которая усовершенствует методы лазерного охлаждения и поимки микроалмазов. Если бы это можно было сделать с одним алмазом, добавляет Бозе, «второй не составит проблемы».

В чем уникальность гравитации?

Исследователи квантовой гравитации не сомневаются в том, что гравитация — это квантовое взаимодействие, способное вызывать запутанность. Конечно, гравитация в чем-то уникальна, и еще многое предстоит узнать о происхождении пространства и времени, но квантовая механика точно должна быть вовлечена, говорят ученые. «Ну правда, какой смысл в теории, в которой большая часть физики квантовая, а гравитация классическая», говорит Дэниел Харлоу, исследователь квантовой гравитации в MIT. Теоретические аргументы против смешанных квантово-классических моделей очень сильные (хотя и не неоспоримые).

С другой стороны, теоретики ошибались и прежде. «Если можно проверить, почему нет? Если это заткнет этих людей, которые ставят под вопрос квантовость гравитации, будет здорово», считает Харлоу.

Прочитав работы, Дайсон написал: «Предлагаемый эксперимент безусловно представляет большой интерес и требует проведения в условиях настоящей квантовой системы». Однако он отмечает, что направление мысли авторов о квантовых полях отличаются от его. «Мне непонятно, сможет ли этот эксперимент разрешить вопрос существования квантовой гравитации. Вопрос, который я задавал — наблюдаем ли отдельный гравитон — это другой вопрос, и он может иметь другой ответ».

Направление мысли Бозе, Марлетто и их коллег о квантованной гравитации проистекает из работ Бронштейна еще в 1935 году. (Дайсон назвал работу Бронштейна «прекрасной работой», которую он не видел прежде). В частности, Бронштейн показал, что слабая гравитация, рождаемая малой массой, может быть аппроксимирована законом тяготения Ньютона. (Это сила, которая действует между суперпозициями микроалмазов). По мнению Бленкоу, расчеты слабой квантованной гравитации особо не проводились, хотя безусловно являются более релевантными, чем физика черных дыр или Большого Взрыва. Он надеется, что новое экспериментальное предложение побудит теоретиков на поиск тонких уточнений к ньютоновскому приближению, которое будущие настольные эксперименты могли бы попробовать проверить.

Леонард Сасскинд, известный теоретик квантовой гравитации и струн в Стэнфордском университете, увидел ценность предлагаемого эксперимента, потому что «он обеспечивает наблюдения гравитации в новом диапазоне масс и расстояний». Но он и другие исследователи подчеркнули, что микроалмазы не могут выявить ничего о полной теории квантовой гравитации или пространства-времени. Он и его коллеги хотели бы понять, что происходит в центре черной дыры и в момент Большого Взрыва.

Возможно, одна из подсказок к тому, почему квантовать гравитацию настолько тяжелее, чем все остальное, лежит в том, что другие силы природы обладают так называемой “локальностью”: квантовые частицы в одной области поля (фотоны в электромагнитном поле, например) «независимы от других физических сущностей в другой области пространства», говорит Марк ван Раамсдонк, теоретик квантовой гравитации из Университета Британской Колумбии. «Но есть много теоретических доказательств того, что гравитация работает не так».

В лучших песочных моделях квантовой гравитации (с упрощенными пространственно-временными геометриями) невозможно предположить, что ленточная пространственно-временная ткань делится на независимые трехмерные кусочки, говорит ван Раамсдонк. Вместо этого современная теория предполагает, что нижележащие, фундаментальные составляющие пространства «организованы скорее двумерно». Ткань пространства-времени может быть как голограмма или видеоигра. «Хотя картинка трехмерна, информация хранится на двумерном компьютерном чипе». В таком случае трехмерный мир будет иллюзей в том смысле, что различные его части не являются настолько независимыми. В аналогии с видеоигрой, несколько битов на двумерном чипе могут кодировать глобальные функции всей игровой вселенной.

И эта разница имеет значение, когда вы пытаетесь создать квантовую теорию гравитацию. Обычный подход к квантованию чего-либо заключается в определении его независимых частей — частиц, например, — и затем применении к ним квантовой механики. Но если вы не определяете правильные составляющие, вы получаете неправильные уравнения. Прямое квантование трехмерного пространства, которое хотел сделать Бронштейн, работает в некоторой мере со слабой гравитацией, но оказывается бесполезным, когда пространство-время сильно искривлено.

Некоторые эксперты говорят, что засвидетельствование “улыбки” квантовой гравитации может привести к мотивации подобного рода абстрактных рассуждений. В конце концов, даже самые громкие теоретические аргументы о существовании квантовой гравитации не подкрепляются экспериментальными фактами. Когда ван Раамсдонк объясняет свои исследования на коллоквиуме ученых, говорит он, обычно все начинается с рассказа о том, что гравитацию нужно переосмыслить с квантовой механикой, потому что классическое описание пространства-времени ломается на черных дырах и Большом Взрыве.

«Но если провести этот простой эксперимент и показать, что гравитационное поле было в суперпозиции, провал классического описания станет очевидным. Потому что будет эксперимент, который подразумевает, что гравитация — квантовая».

По материалам Quanta Magazine

Источник