Как поймать гравитон? Новый эксперимент может доказать квантовую природу гравитации

Пост опубликован в блогах iXBT.com, его автор не имеет отношения к редакции iXBT.com
| Мнение | Наука и космос

Квантовая гравитация, стремящаяся объединить квантовую механику и общую теорию относительности Эйнштейна, остается одной из самых сложных и интригующих задач современной физики. В ее основе лежит гипотеза о существовании гравитона — элементарной частицы, переносящей гравитационное взаимодействие. Представьте себе, что гравитационные волны, подобно световым, состоят из мельчайших частиц — гравитонов. Однако, в отличие от фотонов, квантов света, которые мы можем относительно легко регистрировать, гравитоны обладают чрезвычайно слабым взаимодействием с материей, что делает их обнаружение невероятно сложной задачей. Долгое время считалось, что создание детектора, способного зарегистрировать отдельный гравитон, практически невозможно.

Гравитационные волны, иллюстрация
Автор: ИИ Copilot Designer//DALL·E 3 Источник: www.bing.com

Недавно опубликованная в журнале Nature Communications статья предлагает новый подход к решению этой проблемы. Вместо того, чтобы фокусироваться на спонтанном излучении гравитонов, ученые предлагают использовать стимулированные процессы излучения и поглощения, которые происходят при взаимодействии с уже существующими гравитационными волнами. Другими словами, детектор не будет ждать, пока атом спонтанно испустит гравитон, а будет «настроен» на взаимодействие с проходящей гравитационной волной, что значительно увеличит вероятность обмена гравитонами.

В качестве детектора предлагается использовать не отдельные атомы, как в предыдущих теоретических работах, а макроскопические квантовые резонаторы, охлажденные до своего основного квантового состояния. Представьте себе массивный металлический цилиндр, охлажденный до температуры, близкой к абсолютному нулю, где тепловое движение атомов практически отсутствует. В таком состоянии цилиндр, подобно камертону, может откликаться на проходящую гравитационную волну, переходя из основного квантового состояния в возбужденное. Такой переход будет свидетельствовать о поглощении одного гравитона.

Из-за очень низкой силы взаимодействия это может быть использовано для создания гравито-фононного аналога фотоэлектрического эффекта с акустическими резонаторами для обнаружения одиночных гравитонов. Резонатор охлаждается до основного состояния, а его первый возбужденный энергетический уровень слабо отслеживается с помощью непрерывного квантового зондирования. Квантовый переход из основного состояния в первое возбужденное состояние соответствует событию обнаружения одиночного гравитона. Идеальные параметры системы для таких событий приведены в таблице 1 основного исследования. Для ГВ в окне чувствительности LIGO соотнесение сигнала с классическим детектированием LIGO дает подтверждение поглощения одного гравитона от падающей гравитационной волны.
Автор: Tobar, G., Manikandan, S.K., Beitel, T. et al. Detecting single gravitons with quantum sensing. Nat Commun 15, 7229 (2024). https://doi.org/10.1038/s41467-024-51420-8 CC-BY 4.0 Источник: www.nature.com

Этот процесс можно назвать гравито-фононным аналогом фотоэффекта, при котором свет выбивает электроны из металла. В данном случае гравитационная волна вызывает возбуждение квантовых колебаний решетки (фононов) в резонаторе.

Конечно, реализация этого эксперимента требует решения ряда технологических задач. Во-первых, необходимо добиться глубокого охлаждения массивного резонатора до температур порядка одного милликельвина. Во-вторых, нужно разработать методы непрерывного квантового измерения энергии резонатора, которые позволили бы с высокой точностью регистрировать поглощение одного гравитона.

Авторы статьи, однако, уверены, что эти задачи, хоть и крайне сложные, вполне достижимы в обозримом будущем. Они приводят конкретные расчеты и показывают, что детекторы из различных материалов (бериллий, алюминий, ниобий) могли бы зарегистрировать гравитоны, испускаемые при слиянии нейтронных звезд, подобных тем, что уже были зафиксированы детекторами LIGO.

Здесь a — шаг решетки, а ξn — смещение атома при простом гармоническом движении относительно его среднего положения xn.
Автор: Tobar, G., Manikandan, S.K., Beitel, T. et al. Detecting single gravitons with quantum sensing. Nat Commun 15, 7229 (2024). https://doi.org/10.1038/s41467-024-51420-8 CC-BY 4.0 Источник: www.nature.com

Обнаружение гравитонов стало бы грандиозным событием в мире физики. Это не только подтвердило бы квантовую природу гравитации, но и открыло бы путь к созданию долгожданной теории квантовой гравитации. Такая теория позволила бы нам глубже понять природу пространства-времени, черных дыр и самых ранних этапов эволюции Вселенной.

Предложенный в статье эксперимент открывает новые перспективы в поисках экспериментальных подтверждений квантовой гравитации. Возможно, именно этот подход позволит нам наконец-то «услышать» шепот гравитации и приоткрыть завесу над одной из самых фундаментальных тайн мироздания.

7 комментариев

Добавить комментарий

1
«Непрерывное измерение»… Эмм… Может, перестанете постить сочинения студентов из мухосранска? Во первых, все измерения частиц — априори дескретные: квантовая теория поля существует уже сотню лет. Каждое измерение состояния каждой отдельной частицы требует передачи каждой частице энергию извне. Потому что измерение состояния равносильно взаимодействию с конкретной частицей. Измерить состояние всех атомов в детекторе приведет к повышению температуры вещества на несколько градусов. При том, что охлаждение вещества до температурв конденсата Бозе-Эйнштейна требует лазерное охлаждение, которое испаряет исследуемыц образец до Наноразмерных структур в несколько тысяч атомов. И вот эту хрень они предлагают тут же нагревать, чтобы в следующую секунду выбросить?
1
Зависимость суточных изменений веса от рельефа местности может служить доказательством существования гравитационных частиц. «Гравитационные волны» возникают из-за неравномерного поглощения космических частиц неоднородностями толщи поверхности Земли.
1
Школу закончите для начала. А то вы придумали «свою физику» с единорогами, и теперь позоритесь в комментах.
1
Гравитация действительно зависит от рельефа местности, причём чем выше, тем меньше гравитация, хотя по школьным программам должно быть наоборот.
Но опыты тонкие и надо учитывать динамику температуры исследуемых тел. Не температуру, а её динамику. Если тело остывает (испускает фотоны) то его вес уменьшается, а если тело нагревается (поглощает фотоны) то его вес растёт. Эффект от динамики температуры может превышать эффект от рельефа местности.

Точное взвешивание проводится при постоянной температуре. Но даже нагретая до 60С 200г гирька теряет в весе только 0.4мг за счёт трения восходящего потока воздуха. Если вы проводите взвешивание в вакууме и очень точными весами- на результаты ваших измерений будут влиять суточные изменения веса, особенно в северных широтах на открытых с севера местах. Если у вас есть возможность, снимите график суточных изменений веса при постоянном атмосферном давлении и температуре.
phoba
Вокруг всех тел на земле существует внешнее поле, в котором эти тела находятся. Это магнитное поле Земли, солнца или вселенной одновременно, это некая трехмерная сотовая магнитная сетка, магнитная материя, состоящая из ячеек. Она имеет уровни, определяемые источником магнитной материи. Состояние данных ячеек можно понять так. Представьте себе трехмерную сетку из вращающихся гироскопов. В каком то месте этой сетки они вращаются с одной частотой, а в другом месте с другой. То что называют «атомы» является этой ячейкой. Когда движется материя (атом) на сетке происходит смещение, со стороны это похоже на то, как движется волна по поверхности моря. Т.е. атомов нет в отрыве от этой сетки, потому что атомы это и есть ячейки этой сетки. Применительно к биологическому объекту говорят «биологическое поле» или «энергоинформационное поле», применительно к антенне говорят «электромагнитное поле», применительно к динамику говорят «звуковое поле», применительно к планете говорят «гравитационное поле» и так далее. Меняя его название мы лишь привязываем его к объекту, вокруг которого оно существует в разных состояниях. Но «поле» везде одно и то же, но мера изменения его состояния вокруг тел и ячеек самих тел всегда разная. «Переход» от материи к этому полю всегда разный и зависит от структуры самой материи и ее свойств. Скажем когда говорят «поляризация диэлектрика» структурно это выглядит как приобретение момента вращения и поступательной скорости атомов самого диэлектрика. Атомы диэлектрика с одной стороны диэлектрика закручиваются в одну сторону а с другой стороны в другую, плюс поступательно. Внешнее поле внешняя среда как бы «натягивается», атомы закручиваются приобретая инерцию. Тот же процесс и с намагничиванием. Атомы железа (их называют домены) также приобретают момент поступательного вращения и происходит изменение ориентации атомов относительно магнитных полюсов внешней магнитной системы — электромагнит становится стрелкой компаса, а его полюс стремится притянуться к противоположному полюсу планеты создавая эффект поворота самой стрелки. Также и статоры моторов приобретают момент вращения по той же причине. Таким образом процесс намагничивания это процесс изменения состояния атомов вещества (изменение ориентации, момента вращения, скорости, размеров) относительно атомов внешней среды — которую называют магнитное поле. Обрати внимание что процесс намагничивания это короткий по времени процесс, это время в течении которого ячейки находятся в динамическом состоянии, это тот же процесс который называют «насыщение сердечника» или «переходной электромагнитный процесс» когда электромагнит становится электромагнитом… Когда процесс намагничивания заканчивается электромагнит заканчивает становиться электромагнитом и ячейки останавливаются в измененном состоянии и находятся в таковом состоянии — в состоянии постоянного магнита (электромагнита). Теперь я хочу остановиться на принципе относительности. Принцип относительности показывает взаимодействие различных систем относительно друг друга. В зависимости от точки отсчета, которую мы берем результат никогда не изменится. Например, мы говорим «сила тяжести кирпича» и «сила притяжения планеты». Если мы говорим относительно кирпича у него имеется «сила тяжести» если мы говорим относительно планеты, то говорим «сила притяжения планеты», но суть процесса от этого не меняется, меняется лишь точка отсчета для описания нашего процесса или явления. Данный принцип относительности совершенно справедливо можно спроецировать на любую колебательную систему. Например при нагревании жидкости мы говорим «ее частицы начинают быстрее двигаться и вращаться». Но мы забываем, что до начала нагревания частицы уже находились в некотором движении и вращении, в таком состоянии каковое нам кажется «неподвижным» относительно средств идентификации процесса. Иными словами при нагревании частицы не начали свое движение с нуля, а продолжили увеличивать движение так, что мы зарегистрировали отличие от якобы неподвижного состояния. Т.е. оптический мир, который мы наблюдаем не находится в состоянии неподвижности, а имеет некоторые динамические параметры, которые мы принимаем за ноль, за нашу точку отсчета. Тоже самое мы можем сказать о постоянном токе, нам он кажется постоянным, но в реальности это уже некоторое динамическое состояние, которое мы принимаем за условный ноль системы, за нашу точку отсчета. Таким образом принцип относительности важный принцип в деле разумения окружающей нас действительности, он дает нам возможность оценивать процессы и относительно «кирпича» и относительно планеты притягивающей этот кирпич. Важно отметить, что данный принцип не имеет ничего общего с тем, что идентифицируют как «теория относительности», игнорирующая сам принцип относительности как таковой. Наша планета имеет свои параметры магнитной сетки, которая является «выпуклостью» внешней по отношению к магнитному полю земли — магнитному полю солнца. Оно в свою очередь выпуклость или скажем так «структурное искажение» внешней магнитной сетки – метки галактики и так далее. Это подобие матрешек, магнитные поля находятся внутри друг друга. Мы пытаемся определить теоретические основы процесса телепортации. Ведь если всякая материя это определенное состояние ячеек магнитной материи, то и для перемещения ее нужно перемещать именно это состояние, что будет выглядеть как телепортация материи. Первые экспериментальные шаги данного процесса уже давно сделаны учеными этой планеты, хоть и не осознанно в виде процесса который они называют «торсионное излучение". Кратко отметим, что это передача информации, которая имеет некоторый материальный аспект, это передача на расстояние не просто информации в виде двоичного кода, а передача «материальной информации», которая выражается в передаче на расстоянии запаха, цвета, вкуса, свойств или конечно геометрии. Конечно, это еще не полная телепортация материи, но это уже телепортация ее свойств, что является огромным шагом к пониманию данного процесса. Примерная структурная схема процесса как мне кажется, но еще пока я не уверен, должна выглядеть так: Определение пространственных координат материи. Т.е. координатная сетка это по сути проекция реально существующей магнитной сетки магнита, планеты, солнечной системы, галактики. Для начала они должны научиться телепортировать свойства материи в заданных координатах. Карта магнитных склонений пример. Нужно понять, как именно происходит смещение. На этот счет у меня есть некоторое понимание. Которое я уже описывал. Можно понять на следующем примере. Планета движется в пространстве с определенной скоростью и определенной частотой вращения. Так как всякий атом материи нашей планеты это ячейка магнитного поля нашей планеты, то если каким то образом «оторвать» ее от магнитной сетки нашей планеты то данный атом (ячейка) автоматически сместится на внешнюю сетку – сетку солнечной системы, а сама планета продолжит движение по орбите «оставив позади себя» данный атом. Таким образом при телепортации материи в программу -процесс изначально должны быть заложены скорость и вращение планеты, а также какие то другие параметры среды, чтобы атом «сместился» а потом «появился» там где нам нужно, используя понимание процесса.

Добавить комментарий

Сейчас на главной

Новости

Публикации

Зачем в Китае строили города-призраки, что с ними происходит сейчас, и причем здесь Эйфелева башня

В современных реалиях, когда цены на жилплощадь стартуют где-то в районе стратосферы, трудно представить, что в мире существуют целиком пустующие кварталы, причем не обшарпанных и брошенных...

Смогут ли океаны когда-нибудь забыть глубоководную добычу: 44 года спустя — первые признаки жизни или приговор на века

Глубоководная добыча полезных ископаемых — один из самых спорных вопросов 2020-х. С одной стороны, полиметаллические конкреции на дне Тихого океана (в зоне Кларион-Клиппертон) содержат...

Это вообще законно? Выгодный повербанк-монстр Qoovi на 50 000 мА·ч с мощностью 100 Вт

Если ищете мощный, но недорогой повербанк для зарядки своего ноутбука, смартфонов и других устройств, то возможно обращали внимание на устройства под брендом Qoovi. Они выпускают очень доступные...

Simgot Supermix 5 — не только приятный баланс — обзор внутриканальных трибридных наушников с драйвером костной проводимости 1BC+1DD+2BA+1MP

В продолжение линейки наушников с четырьмя видами драйверов компания Simgot выпустила новую модель Supermix 5. В отличие от предыдущей модели Supermix 4, у которой в наборе был также и...

Обзор УФ фонаря Sofirn SR15 UV 365nm: Пробую приготовить яичницу

Фонарик с ультрафиолетовым светом может стать весьма полезным гаджетом, а порой и незаменимым инструментом в различных ситуациях. В этом обзоре я расскажу о модели Sofirn SR15 UV 365 nm, проведу...

Бесконтактное трение: почему сопротивление движению достигает максимума, если раздвинуть поверхности

В основе традиционной механики поверхностей лежит закон Амонтона — Кулона. Он устанавливает прямую зависимость: сила трения скольжения пропорциональна нормальной нагрузке. Чем сильнее...