Квантовые волнения могут изменить наше видение Вселенной. Устройство для обнаружения звуковой вибрации в сверххолодном газе может подтвердить последнее непроверенное предположение общей теории относительности Эйнштейна. Согласно теории, разрушительные события во вселенной, к примеру, слияние двух черных дыр, должны приводить к волнениям в самой ткани пространства и времени, напоминающим рябь воды, которая возникает при падении камня. Астрономы мечтают зафиксировать эти гравитационные волны, поскольку это позволит по-новому изучить космос. Однако к тому времени, как эти волны достигают Земли, они становятся чрезвычайно слабыми, так что на данный момент ни один ученый не смог с уверенностью их зафиксировать.
Современные подходы предполагают использование огромных улавливающих устройств, таких как Лазерно-интерферометрическая гравитационно-волновая обсерватория. В таких обсерваториях лазер отражается между зеркал, расположенных внутри двух перпендикулярных туннелей (рукавов), причем длина каждого из них составляет 4 километра. Предполагается, что проходящая гравитационная волна немного изменит длину одного рукава относительно другого и при помощи лазерного света создаст, таким образом, различимый сигнал.
Первые наблюдения с помощью таких обсерваторий в период с 2002 по 2010 год не дали результатов, и на настоящий момент в эксперимент вносятся изменения, касающиеся повышения чувствительности и устранения шума. Ученые обсерватории ищут дополнительное место для размещения новой пары гигантских туннелей. Новые обсерватории помогут им обнаружить источник гравитационных волн. Другие существующие и планируемые устройства обнаружения, расположенные на Земле, также нуждаются в туннелях длиной в несколько километров.
По словам Карлоса Сабина (Carlos Sabin) из Университета Ноттингема (Великобритания), того же эффекта можно добиться с помощью устройства, которое можно разместить на столе и которое содержит облако атомов.
Команда Сабина доказала, что теоретически гравитационные волны должны создать заметные вибрации в конденсате Боза-Эйнштейна, совокупности атомов, температура которых приближается к абсолютному нулю. При такой температуре атомы функционируют как единый квантовый объект, а возмущения могут привести к появлению «частиц» энергии вибрации, называемых фононами.
Конденсаты Боза-Эйнштейна содержатся в ловушках, создаваемых с помощью лазеров. Предыдущие эксперименты показали, что изменение определенных свойств лазерной ловушки, таких как размер, может привести к появлению дополнительных фононов в облаке. Сабин и его коллеги считают, что гравитационные волны приводят к тем же последствиям.
«В таких случаях изменяется пространство и время, но это приводит к тому же эффекту, что и появление фононов», – говорит Сабин. Команда подсчитала, что обнаруживающее устройство на основе Конденсата Боза-Эйнштейна будет на четыре порядка более чувствительным к гравитационным волнам, по сравнению с Лазерно-интерферометрическими гравитационно-волновыми обсерваториями.
«Я приветствую их интеллектуальную смелость», – говорит Кристоф Вестбрук (Christoph Westbrook) из Лаборатории Чарльза Фабри Института оптики (Франция), который работает с конденсатом Боза-Эйнштейна.
Задача по созданию такого устройства не является тривиальной. «Возникнет множество проблем, касающихся способов усиления сигнала и снижения неизбежного шума. Даже выяснение источников шума будет важной задачей, – говорит Вестбрук. – Однако никто и не говорит, что обнаружение гравитационных волн – простая работа».