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

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

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.

Вольная интерпретация экспериментальной установки
Автор: ИИ Copilot Designer//DALL·E 3 Источник: www.bing.com
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.

Схема возможной геометрии эксперимента (не в масштабе): Исходный лазерный импульс попадает на полупрозрачное зеркало (пунктирная линия слева внизу) и делится на два потока (красные линии), которые начинают движение в направлениях x и y. Спустя половину периода волны (в идеале, когда скорость изменения h равна 0) импульсы отражаются от зеркал под углом 45° (сплошные черные линии) и меняют направление движения на перпендикулярное. Пройдя через этот контур в левой части схемы и изменив свою энергию, импульсы отправляются в правую часть. Там они проходят дополнительные оптические пути равной длины для накопления разности фаз. В финале оба потока сводятся на втором полупрозрачном зеркале (пунктирная линия справа внизу) для получения интерференции. Примечание: В реальности оптические пути должны быть значительно удлинены с помощью системы многократных отражений; эти дополнительные зеркала не показаны на схеме для упрощения.
Автор: Ralf Schützhold Источник: journals.aps.org
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

1 комментарий

a
это позволило бы объединить два главных раздела физики — Общую теорию относительности Эйнштейна (описывающую гравитацию) и Квантовую механику (описывающую микромир).

Это НЕ объединит ОТО и квантовую механику по той причине, что ОТО — чисто классическая теория. Но наблюдение гравитонов подскажет пути построения теории квантовой гравитации. Сейчас этих теорий, как блох на барбоске, но ни одна из них не подкреплена измерениями.

Добавить комментарий

Сейчас на главной

Новости

Публикации

Чем запомнилась компания ASUS на рынке смартфонов

По последним данным, ASUS уходит с рынка смартфонов, и новых моделей больше не будет. И хотя бренд никогда не был в числе лидеров данного сегмента, он оставил после себя яркий след в истории.

Для чего нужна 64-метровая «тарелка» в Калязине: история монстра, который ловит сигналы из глубокого космоса

В глухом лесу под Тверью работает антенна размером с «Боинг». Она весит 3800 тонн, пережила развал СССР и сейчас ловит сигналы с Марса. История объекта, который выглядит как сбой в матрице.

✦ ИИ  Почему чукчи не мерзнут в -50°C: отсутствие потовых желез, яранга-термос и особая диета

Они спали на снегу, ели сырое мясо и не мылись годами. Почему чукчи всмогли выжить там, где европеец умирал? Разбираем биологию и инженерию «спартанцев Арктики».

Обзор портативного моющего пылесоса для мебели Felfri FWVC-006

Что делать, если вы случайно пролили напиток или другую жидкость на ковер, диван или матрас? В большинстве подобных ситуаций единственным решением кажется вызов профессионального клининга. Но что,...

✦ ИИ  Друзья по расчету: 10 необычных симбиозов в природе, где каждый получает бонус

Природа любит хитроумные схемы. Пока мы спорим о соседях и делим парковочные места, животные и растения уже миллионы лет практикуют взаимовыгодное сотрудничество, которое порой выглядит почти...