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

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

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.

Иллюстрация
Иллюстрация
Автор: ИИ Copilot Designer//DALL·E 3 Источник: www.bing.com
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.

(A) Схема экспериментальной установки для измерения влияния классической гравитации на квантовые массы. Пара масс (черным цветом) подвешены как гармонические осцилляторы, которые взаимодействуют друг с другом гравитационно, что описывается гамильтонианом ĤG [Ур. (7)] и Линдбладианом 𝓛G [Ур. (8)]. Пара интерферометров (серым цветом) непрерывно измеряют их смещения; записи этих измерений используются для оценки перекрестной корреляции между флуктуациями их смещений Sx1x2. (B) Теоретический прогноз для перекрестной корреляции Sx1x2. Здесь метка
(A) Схема экспериментальной установки для измерения влияния классической гравитации на квантовые массы. Пара масс (черным цветом) подвешены как гармонические осцилляторы, которые взаимодействуют друг с другом гравитационно, что описывается гамильтонианом ĤG [Ур. (7)] и Линдбладианом 𝓛G [Ур. (8)]. Пара интерферометров (серым цветом) непрерывно измеряют их смещения; записи этих измерений используются для оценки перекрестной корреляции между флуктуациями их смещений Sx1x2. (B) Теоретический прогноз для перекрестной корреляции Sx1x2. Здесь метка «Quantum» соответствует установке ε = 0, в этом случае гравитация является квантовым полем; «Classical» соответствует ε = 1. Два осциллятора предполагаются идентичными с резонансной частотой ω = 2π ⋅ 100 Гц и скоростью затухания γ = 2π ⋅ 10-3 Гц. Оранжевые линии отображают |Sx1x2|, а синие линии отображают фазу arg Sx1x2. Эффект гравитационного Линдбладиана заключается в увеличении корреляции вдали от резонанса (на коэффициент ω/2γ(2Ñ+1) по сравнению с квантовым случаем) и дополнительном фазовом сдвиге π при расстройке ΔΩ ≈ 2γ(2Ñ + 1) от резонанса.
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.

4 комментария

Добавить комментарий

k
Временнаја константа? Она естј?
D
С чего они так решили, что квантовые процессы лишь вероятностны? Не понятно… Сдается мне, что там все ещё более четко, как в компьютере.
105658563982865434353@google
Потому что кванты представляют собой волну вероятностей. То есть даже любая частица это не объект, а «размазанная» внутри определëнного промежутка волна. И еë с определëнной вероятностью можно обнаружить в любой точке в пределах длины этой волны. Как правило, наибольшая вероятность обнаружения там, где у волны наибольшая энергия.
А квантовое туннелирование выглядит ещё более рандомно.
s
Строго говоря это Копенгагенская трактовка. В ней измерение вероятностно (и она точно работает 😀). Есть и другие трактовки, но при более глубоком разборе там проблем чуть ли не больше. Я предпочитаю жить в вероятностном мире со свободой воли, чем в детерминированном без неё, хотя бы.

Добавить комментарий

Сейчас на главной

Новости

Публикации

Как волк выбирает себе волчицу и правда ли, что потом никогда не ходит «налево»

Про волков часто пишут почти как про людей: встретил одну волчицу, создал с ней семью и больше ни на кого не смотрит. Такая версия встречается настолько часто, что я долго воспринимала её почти как...

Механизм комнатной сверхпроводимости подтвержден: как электроны скандия изменили свойства водорода

Сверхпроводимость — это особое состояние вещества, в котором электрический ток протекает через материал с нулевым сопротивлением. В повседневной технике провода из меди или алюминия...

Когда полюса Земли сдвинулись к экватору: древние моря раскрыли эпохи резких поворотов планеты

Географические полюса Земли служат постоянными ориентирами. На картах они всегда находятся в одних и тех же точках, обозначая выходы воображаемой оси, вокруг которой вращается планета. Однако...

В Нидерландах специально затапливают землю у рек. Как это спасает города от наводнений?

Голландский способ защиты от паводков на первый взгляд выглядит странно: власти отодвигают дамбы от рек и оставляют воде участки суши. Но затапливать разрешают не жилые кварталы, а заранее...

Очищается сам: обзор Redkey F10 Pro Ultra — вертикального пылесоса с базой самоочистки и двумя аккумуляторными батареями в комплекте

Я давно искал для себя вертикальный пылесос, с которым не придется постоянно возиться после уборки. В обычном беспроводном пылесосе меня больше всего раздражает не сама уборка, а все, что...

«ИЖ-302» от военного завода: зачем был нужен клон «Электроники-302»

В начале восьмидесятых ижевский школьник возвращался домой с новеньким «ИЖ-302» в руках. Соседские ребята сбегались во двор — послушать «Весёлых ребят», переписанных с пластинки через...