Уявіть собі двох титанів сучасної фізики: загальну теорію відносності (ОТО) Ейнштейна, яка велично описує гравітацію як викривлення самого простору-часу, і квантову механіку, химерний, але неймовірно точний світ елементарних частинок та їх взаємодій. Ось уже майже сторіччя вчені б’ються над тим, щоб «подружити» цих гігантів, створивши єдину теорію квантової гравітації. Навіщо? Тому що без неї ми не можемо до кінця зрозуміти ні народження нашого Всесвіту у Великому вибуху, ні загадкові глибини чорних дірок. Довгий час це завдання здавалося суто теоретичним, а експериментальна перевірка — чимось із галузі фантастики. Але часи змінюються, і сьогодні фізики з новою зухвалістю штурмують цю, начебто, неприступну фортецю.
Чому так складно «зважити» гравітацію?
Здавалося б, що може бути простіше? Гравітація оточує нас усюди. Але коли йдеться про її квантову природу, ми стикаємося з фундаментальними проблемами. ОТО малює нам картину гладкого, безперервного простору-часу, а квантова механіка наполягає, що всі взаємодії, включаючи фундаментальні сили, мають відбуватися порціями квантами. Якщо в електромагнетизму є фотон, а у сильної та слабкої ядерних взаємодій — свої частинки-переносники, то у гравітації, за ідеєю, має бути свій квант — гравітон.
І ось тут і починаються складнощі. Гравітація – жахливо слабка сила. Так, вона утримує планети на орбітах і притягує яблука до землі, але це взаємодія між величезними масами. На рівні елементарних частинок її вплив настільки мізерний, що виявити гіпотетичний гравітон – завдання складніше пошуку голки не те що в копиці сіна, а в цілій галактиці стогів! Енергії, необхідні для таких спостережень, за розрахунками повинні бути астрономічними, далеко за межами можливостей навіть Великого адронного колайдера. Недаремно знаменитий Фрімен Дайсон колись похмуро припустив, що для цього знадобиться детектор розміром із чорну дірку. Словом, десятиліттями панував песимізм.
Перша ластівка чи міраж? У гонитві за невловимим гравітоном
Так що ж, все дарма? Не зовсім. Наука не стоїть на місці, і з’являються все більш витончені ідеї. Наприклад, група вчених запропонувала дотепний експеримент із мікроскопічним металевим стрижнем, охолодженим майже до абсолютного нуля і наведеним в особливий квантовий стан. Теоретично такий «камертон» міг би зрезонувати навіть від впливу одного-єдиного гравітону. Звучить майже як наукова фантастика!
Однак скептики, на зразок Деніела Карні, відразу охолодили запал. Вони вказали на фундаментальну проблему: навіть якщо такий резонатор «клацне», як відрізнити цей сигнал від впливу дуже слабкої, але все ж таки класичної гравітаційної хвилі? Адже гравітаційні хвилі, бриж простору-часу, передбачені Ейнштейном, вже успішно детектуються обсерваторіями LIGO і Virgo. І така хвиля – це, по суті, безліч гравітонів (якщо вони є). Вловити ж “соло” одного гравітону і бути впевненим, що це саме він, а не відлуння класичного ефекту – завдання із зірочкою. Більшість вчених сходяться на думці: пряме та однозначне виявлення гравітону — мрія, можливо, на наступні сто років.
Квантові обійми: може, заплутаність нам допоможе?
Але якщо не можна зловити частинку, може вдасться побачити її «сліди» іншим способом? Тут на сцену виходить одне з найдивовижніших явищ квантового світу — заплутаність. Якщо дві квантові частинки взаємодіють, їхні долі можуть бути пов’язані, навіть якщо їх рознести на велику відстань. Зміна стану однієї миттєво позначиться іншою.
Ідея, запропонована незалежно Влатко Ведралом, К’ярою Марлетто та командою Сугато Бозе, полягає в наступному: а що, якщо підготувати дві крихітні маси в квантовому стані (коли їхнє становище, наприклад, розмито), ізолювати їх від усіх сторонніх впливів і… почекати? Якщо між ними існує гравітаційна взаємодія, і вона квантова, то згодом ці маси мають стати гравітаційно заплутаними. Їхні положення почнуть корелювати один з одним саме завдяки гравітації. І це було б потужним непрямим доказом її квантової природи!
Звучить елегантно, але диявол, як завжди, у деталях. Створити та утримати макроскопічні (нехай і дуже маленькі) об’єкти у квантовому стані – неймовірно складно. Потрібно захистити їх від найменших вібрацій, теплового випромінювання, випадкових фотонів — всього, що може зруйнувати тендітну квантову когерентність. До того ж, чим далі рознести маси (щоб виключити інші взаємодії), тим слабшим буде гравітаційне тяжіння між ними.
І все ж прогрес є! Команда Маркуса Арндта вже змогла перевести в квантовий стан ансамбль приблизно з 2000 атомів — це важливий крок. Маркус Аспельмейєр, який очолює іншу дослідницьку групу, сподівається на життєздатний експеримент із гравітаційної заплутаності років через 15. Хоча й він визнає: для «чистоти експерименту» маси довелося б рознести так далеко, що гравітацію між ними було б майже неможливо виміряти. Дилема!
А якщо вона… не квантова? Радикальний погляд та гравітаційний «шум»
Поки одні намагаються довести, що гравітація квантова, інші запитують: а що, якщо ні? Що, якщо гравітація – особлива, фундаментально класична сила, що стоїть окремо від інших? Зрештою, ОТО описує її не як силу у звичному розумінні, а як властивість самого простору-часу.
Ця ідея, відома як напівкласичний підхід, набула нового розвитку завдяки роботам Джонатана Оппенгейма. Його команда показала, що якщо простір-час справді класичний, то в будь-яких надточних вимірах, пов’язаних з гравітацією, має неминуче бути свого роду фундаментальний «шум» або флуктуація. Уявіть: якщо квантовий об’єкт знаходиться «одночасно у двох місцях», а класичний простір-час може вигнути лише одним способом, йому доведеться якось «вибирати» або усереднювати. Це і породить неминучу невизначеність, цей гравітаційний шум.
І найцікавіше: цей підхід можна перевіряти вже зараз! Група Аспельмейєра проводить такі експерименти, вимірюючи гравітаційну взаємодію між крихітними золотими кульками з неймовірною точністю. Поки що чутливості не вистачає, щоб підтвердити чи спростувати наявність такого «шуму», але технології стрімко розвиваються. Ідея в тому, щоб, комбінуючи дані від таких експериментів з експериментами з гравітаційної заплутаності, поступово звужувати діапазон можливих значень цього шуму. Якщо він справді існує і відповідає передбаченням напівкласичних теорій, це означатиме, що гравітація не квантова. Якщо його не виявлять до певної межі точності, це стане ще одним аргументом на користь її квантування.
Від теорії до практики: нова ера у вивченні гравітації
То що ж ми маємо? З одного боку, пряме виявлення гравітонів – завдання майже нездійсненне на поточному технологічному рівні. З іншого — багатообіцяючі, хоч і неймовірно складні експерименти з пошуку гравітаційної заплутаності. І як альтернативний шлях, перевірка гіпотези про фундаментально класичну природу гравітації через пошук передбаченого «шуму».
Схоже, епоха суто теоретичних спекуляцій про квантову гравітацію добігає кінця. Настає час експериментаторів. Так, шлях буде довгим і тернистим, можливо, відповіді ми отримаємо не завтра і навіть не за десять років. Але сам факт, що ми перейшли від питання «А чи це можливо в принципі?» до питання “Як саме це зробити і коли ми отримаємо результати?” – Вже величезний прорив. Як влучно зауважив Оппенгейм, “Природі немає справи до того, що думають теоретики”. І незабаром у нас з’явиться шанс прямо запитати у неї, як же вона насправді влаштована у своїх фундаментальних проявах. Чи це не найцікавіша пригода в сучасній науці?