Является ли гравитация классической или квантовой? Новый эксперимент проверяет природу фундаментальной силы, управляющей Вселенной

Гравитация — одна из самых загадочных сил во Вселенной. Мы ощущаем ее каждый день, она удерживает нас на Земле и управляет движением планет. Но, несмотря на эту вездесущность, гравитация остается белым пятном в нашем понимании мироздания. Все остальные фундаментальные силы — электромагнитное, сильное и слабое взаимодействия — успешно описаны в рамках квантовой теории. Гравитация же сопротивляется этой интеграции, порождая многочисленные теоретические головоломки.

Долгое время физики были убеждены, что гравитация, как и другие силы, должна быть квантовой. Это означало бы существование гравитонов — гипотетических частиц, переносящих гравитационное взаимодействие. Однако, прямые поиски гравитонов пока не увенчались успехом, а создание полноценной квантовой теории гравитации оказалось задачей титанической сложности.

А что, если гравитация не квантовая?

Именно этот дерзкий вопрос лежит в основе нового исследования, опубликованного в журнале Physical Review Letters. Вместо того, чтобы продолжать безуспешные попытки квантовать гравитацию, группа ученых из Гарвардского университета и Массачусетского технологического института предложила принципиально иной подход: экспериментально проверить, является ли гравитация фундаментально классической силой.

В чем суть этого подхода? По словам исследователей, ключ к разгадке кроется в флуктуациях. Если гравитация — это классическая сила, то она должна демонстрировать непредсказуемые, случайные флуктуации, которые невозможно устранить. Эти флуктуации возникают из-за несовместимости классической природы гравитации с принципами квантовой механики.

Как обнаружить эти неуловимые флуктуации?

Ученые утверждают, что эти классические флуктуации гравитации должны оставить уникальный след в спектре перекрестной корреляции двух квантовых осцилляторов. Этот след проявится в виде характерного фазового сдвига, отличающегося от того, который наблюдался бы, если бы гравитация была квантовой.

«Если гравитация является классической, то возникает парадоксальная ситуация, — объясняет Сергей Крыхин, один из авторов исследования. — Классическая система, в отличие от квантовой, детерминирована, то есть ее будущее состояние полностью определяется ее прошлым. Но если классическая гравитация взаимодействует с квантовой материей, которая по своей природе вероятностна, то возникает противоречие. Классические флуктуации — это способ классической гравитации справиться с этим противоречием, привнося случайность в систему.»

Квантовый эксперимент Кавендиша: новая надежда на разгадку

Для проверки своей гипотезы исследователи предложили своего рода квантовую версию знаменитого эксперимента Кавендиша. Они предлагают использовать два высококогерентных квантово-механических осциллятора, гравитационно связанных друг с другом, и измерить перекрестную корреляцию их движений. Обнаружение характерного фазового сдвига станет убедительным доказательством классической природы гравитации.

Важно отметить, что этот эксперимент, в отличие от многих других предложенных ранее, является вполне осуществимым с использованием современных технологий. Он не требует создания массивных объектов в квантовых суперпозиционных состояниях, что делает его более реалистичным для реализации в ближайшем будущем.

Почему это так важно?

Представьте себе, что эксперимент действительно подтвердит классическую природу гравитации. Это станет настоящей революцией в физике. Нам придется пересмотреть наши представления о мироздании, отказаться от идеи квантования гравитации и искать принципиально новые подходы к ее описанию.

«В настоящее время квантование гравитации считается аксиомой, — говорит профессор Судхир. — Были приложены огромные усилия для создания квантовой теории гравитации, что привело, в частности, к развитию теории струн. Но если эксперимент покажет, что гравитация классическая, то нам придется вернуться к отправной точке и искать совершенно иную картину мира.»

Впереди еще много работы

Несмотря на многообещающие перспективы, ученые признают, что впереди еще много работы. Необходимо разработать более совершенные теоретические модели, построить экспериментальную установку и решить ряд технических проблем, связанных с измерением крайне слабых гравитационных взаимодействий.

«Для проведения решающего эксперимента нам понадобятся два гравитирующих объекта, эффективная шумоизоляция и высокоточные методы измерения, — заключает Сергей Крыхин. — Только объединив все эти элементы, мы сможем получить ответ на один из самых фундаментальных вопросов в физике.»

Вопрос о природе гравитации остается открытым. Но благодаря новому подходу и предлагаемому эксперименту у нас появилась надежда на то, что в ближайшем будущем мы сможем разгадать эту вековую загадку и продвинуться вперед в понимании устройства Вселенной.