Можно ли «зарядить» свет гравитацией? Предложен способ подтвердить существование гравитона

С момента первой регистрации гравитационных волн детекторами LIGO физика находится в фазе пассивного наблюдения. Мы до сих пор не знаем, из чего эти волны состоят. Согласно квантовой теории, любое излучение должно состоять из неделимых порций энергии — квантов. Для света это фотоны, для гравитации теоретически должны существовать гравитоны. Однако экспериментально их существование не доказано.

В новой работе, опубликованной в Physical Review Letters, физик Ральф Шютцхольд предлагает способ решить эту проблему. Он описывает эксперимент, который позволит перейти от пассивного наблюдения за гравитационными волнами к активному взаимодействию с ними при помощи лазерных систем.

Почему мы не можем создать гравитон в лаборатории

Главная проблема поиска гравитона — экстремальная слабость гравитационного взаимодействия. Чтобы сгенерировать хотя бы один квант гравитационного излучения в лабораторных условиях, потребовалось бы заставить массивный объект колебаться с недостижимой скоростью и энергией. Даже самые мощные лазерные установки на Земле не обладают достаточной мощностью для генерации детектируемого гравитационного излучения.

Шютцхольд предлагает изменить подход. Вместо того чтобы пытаться создать гравитационные волны, ученые могут использовать уже существующие мощные волны, приходящие из космоса (например, от слияния черных дыр), и попытаться обменяться с ними энергией.

Принцип вынужденного взаимодействия

Идея эксперимента основана на эффекте, который широко применяется в лазерной физике — вынужденном испускании или поглощении.

Суть метода заключается в следующем:

1. Сквозь лабораторную установку проходит гравитационная волна. Она ритмично растягивает и сжимает пространство.
2. В эту область запускаются сверхкороткие лазерные импульсы.
3. Главным фактором является синхронизация. Если лазерный импульс попадает в пространство в определенную фазу гравитационной волны, происходит взаимодействие между электромагнитным и гравитационным полями.

В зависимости от момента времени, свет может либо отдать часть своей энергии гравитационной волне, либо, наоборот, забрать энергию у нее. Если гравитационное поле действительно имеет квантовую природу, этот обмен энергией будет происходить не плавно, а дискретными порциями.

Как это измерить

В предложенной схеме лазерный луч расщепляется и направляется по сложной траектории с помощью системы зеркал. Это позволяет свету дольше находиться в зоне действия гравитационной волны и накапливать эффект взаимодействия.

Задача экспериментаторов — зафиксировать изменение энергии фотонов на выходе. Если удастся обнаружить, что энергия лазерного импульса изменилась ровно на величину, соответствующую одному или нескольким гравитонам, это станет прямым доказательством квантовой структуры пространства-времени.

Однако ожидаемое изменение энергии ничтожно мало. Чтобы его заметить, автор предлагает использовать методы квантовой оптики. Обычный лазерный луч имеет естественный уровень шума, который может скрыть искомый сигнал. Чтобы повысить точность измерений, предлагается использовать так называемые запутанные состояния света (например, NOON-состояния). В таких состояниях фотоны действуют как единая скоррелированная группа, что кратно повышает чувствительность детектора.

Значение открытия

Реализация этого эксперимента стала бы поворотным моментом в фундаментальной физике.

Во-первых, это позволило бы объединить два главных раздела физики — Общую теорию относительности Эйнштейна (описывающую гравитацию) и Квантовую механику (описывающую микромир). Доказательство существования гравитона подтвердило бы, что гравитация подчиняется тем же квантовым законам, что и остальные силы природы.

Во-вторых, это открывает возможность создания детекторов нового типа. Существующие обсерватории (LIGO, Virgo) измеряют изменение длины оптического пути (искажение геометрии). Предложенный метод измеряет изменение энергии света. Это позволит исследовать свойства гравитационных волн, которые сейчас недоступны для наблюдения, и, возможно, проверить, способно ли само пространство-время находиться в состоянии квантовой суперпозиции.

Источник: Physical Review Letters