Фізики знайшли спосіб побачити «посмішку» квантової гравітації

У 1935 році, коли квантова механіка та теорія відносності Ейнштейна були дуже молоді, не дуже відомий радянський фізик Матвій Бронштейн, будучи у віці 28 років, зробив перше докладне дослідження на тему узгодження цих двох теорій квантової теорії гравітації. Ця, «можливо, теорія всього світу в цілому», як писав Бронштейн, могла б витіснити класичне эйнштейново опис гравітації, в якому вона бачиться кривими в просторово-часовому континуумі, і переписати його квантовим мовою, як і всю решту фізику.

Бронштейн з’ясував, як описати гравітацію в термінах квантованих частинок, тепер званих гравітонами, але тільки коли сила гравітації слабка — то є (загальної теорії відносності) коли простір-час настільки слабо зігнуто, що буде практично плоским. Коли сильна гравітація, «ситуація зовсім інша», писав вчений. «Без глибокого перегляду класичних понять, здається практично неможливим уявити квантову теорію гравітації і в цій області».

Його слова були пророчими. Вісімдесят три роки потому, фізики все ще намагаються зрозуміти, як просторово-часова кривизна проявляється в макроскопічних масштабах, витікаючи з більш фундаментальної і імовірно квантової картини гравітації; можливо, це найглибший питання у фізиці. Можливо, якби був шанс, світла голова Бронштейна прискорила процес цього пошуку. Крім квантової гравітації, він також зробив внесок в астрофізику і космологію, теорію напівпровідників, квантову електродинаміку і написав кілька книжок для дітей. У 1938 році він потрапив під сталінські репресії і був страчений у віці 31 року.

Пошук повної теорії квантової гравітації ускладнюється тим, що квантові властивості гравітації ніколи не проявляються в реальному досвіді. Фізики не бачать, як порушується эйнштейново опис гладкого просторово-тимчасового континууму, або бронштейново квантове наближення його в слабо викривленому стані.

Проблема полягає в крайньої слабкості гравітаційної сили. У той час як квантовані частинки, передають сильні, слабкі й електромагнітні сили, настільки сильні, що щільно пов’язують матерію в атоми і можуть бути досліджені буквально під лупою, гравітони окремо настільки слабкі, що у лабораторій немає жодних шансів їх знайти. Щоб зловити гравітон з високою часткою ймовірності, детектор частинок повинен бути настільки великим і масивним, що колапсує в чорну діру. Ця слабкість пояснює, чому потрібні астрономічні накопичення мас, щоб чинити вплив на інші масивні тіла за допомогою гравітації, і чому ми бачимо гравітаційні ефекти на величезних масштабах.

Це не все. Всесвіт, мабуть, піддається якоїсь космічної цензури: області з сильною гравітацією — де просторово-часові криві настільки гострі, що рівняння Ейнштейна дають збій, і повинна розкриватися квантова природа гравітації і простору-часу — завжди ховаються за горизонтами чорних дір.

«Навіть кілька років тому був загальний консенсус, що, найімовірніше, виміряти квантування гравітаційного поля якимось чином неможливо», каже Ігор Піковський, фізик-теоретик Гарвардського університету.

І ось нещодавно опублікованих в Physical Review Letters статей змінили стан справ. У цих роботах робиться заява, що дістатися до квантової гравітації може бути можливо, навіть нічого не знаючи про неї. Роботи, написані Сугато Бозі з Університетського коледжу Лондона і К’ярою Марлетто і Влатко Ведралом з Оксфордського університету, пропонують технічно складний, але можливий експеримент, який міг би підтвердити, що гравітація це квантова сила, як і всі інші, не вимагаючи виявлення гравитона. Майлз Бленкоу, квантовий фізик з Дартмутського коледжу, який не брав участі у цій роботі, каже, що такий експеримент міг би виявити чіткий слід невидимою квантової гравітації — «посмішку Чеширського Кота».

Запропонований експеримент визначить, чи можуть два об’єкта — група Бозі планує використовувати пару микроалмазов — стати квантово-механічно заплутаними між собою в процесі взаємного гравітаційного тяжіння. Заплутаність — це квантове явище, в якому частинки стають тісно переплетеними, розділяючи єдине фізичне опис, який визначає їх можливі поєднані стану. (Співіснування різних можливих станів називається «суперпозицією» і визначає квантову систему). Наприклад, пара заплутаних часток може існувати в суперпозиції, при якій частка А буде з 50-відсотковою ймовірністю обертатися (spin) знизу вгору, а Б — зверху вниз, і з 50-відсотковою ймовірністю навпаки. Ніхто заздалегідь не знає, який результат ви отримаєте при вимірюванні напрямку спина частинок, але ви можете бути впевнені в тому, що він у них буде однаковий.

Автори стверджують, що два об’єкти у пропонованому експерименті можуть заплутатися таким чином лише в тому випадку, якщо сила, що діє між ними, — в даному випадку гравітація — буде квантовим взаємодією, опосередкованим гравітонами, які можуть підтримувати квантові суперпозиції. «Якщо буде проведений експеримент і чи буде отримана заплутаність, згідно роботі, можна зробити висновок, що гравітація квантується», пояснив Бленкоу.

Заплутати алмаз

Квантова гравітація настільки непомітна, що деякі вчені засумнівалися в її існуванні. Відомий математик і фізик Фрімен Дайсон, якому 94 роки, з 2001 року стверджує, що всесвіт може підтримувати свого роду «дуалістичне» опис, в якому «гравітаційне поле, описане загальною теорією відносності Ейнштейна, буде суто класичним полем без будь-якого квантового поведінки», при цьому вся речовина в цьому гладкому просторово-часовому континуумі буде квантоваться частинками, які підпорядковуються правилам ймовірності.

Дайсона, який допомагав розробляти квантову електродинаміку (теорію взаємодій між матерією і світлом) і є почесним професором Інституту передових досліджень в Прінстоні, Нью-Джерсі, не вважає, що квантова гравітація необхідна для опису недосяжних надр чорних дір. І він також вважає, що виявлення гіпотетичного гравитона може бути неможливим в принципі. У такому випадку, каже він, квантова гравітація буде метафізичні, а не фізичного.

Він не єдиний скептик. Відомий англійський фізик сер Роджер Пенроуз і угорський вчений Ладжос Диоси незалежно припускали, що простір-час не може підтримувати суперпозиції. Вони вважають, що його гладенька, тверда, фундаментально класична природа перешкоджає викривлення на два можливих шляхи одночасно — і саме ця жорсткість призводить до колапсу суперпозиций квантових систем на зразок електронів і фотонів. «Гравітаційна декогеренції», на їхню думку, дозволяє статися єдиної, твердою, класичної реальності, яку можна відчувати в макроскопічних масштабах.

Можливість знайти «посмішку» квантової гравітації, здавалося б, спростовує аргумент Дайсона. Також вона вбиває теорію гравітаційної декогеренции, показуючи, що гравітація і простір-час дійсно підтримують квантові суперпозиції.

Пропозиції Бозі і Марлетто з’явилися одночасно і абсолютно випадково, хоча експерти зазначають, що вони відображають дух часу. Експериментальні лабораторії квантової фізики по всьому світу ставлять все більш великі мікроскопічні об’єкти в квантові суперпозиції і оптимізують протоколи випробувань заплутаність двох квантових систем. Запропонований експеримент повинен буде об’єднати ці процедури, вимагаючи при цьому подальшого поліпшення масштабу і чутливості; можливо, на це піде років десять. «Але фізичної безвиході немає», каже Піковський, який також досліджує, як лабораторні експерименти могли б зондувати гравітаційні явища. «Думаю, це складно, але не неможливо».

Цей план більш докладно викладено в роботі Бозі і співавторів — одинадцять експертів Оушена для різних етапів пропозиції. Наприклад, у своїй лабораторії в Університеті Уоріка один із співавторів Гевін Морлі працює над першим етапом, намагаючись помістити микроалмаз в квантову суперпозицію в двох місцях. Для цього він укладе атом азоту в микроалмазе, поруч з вакансією в структурі алмазу (так званий NV-центр, або азото-заміщена вакансія в алмазі), і зарядить його мікрохвильовим імпульсом. Електрон, що обертається навколо NV-центру, одночасно і поглинає світло, і немає, а система переходить у квантову суперпозицію двох напрямків спина — вгору і вниз — подібно вовчка, яка з певною ймовірністю обертається за годинниковою стрілкою і з певною — проти. Микроалмаз, завантажений цим спіном суперпозиції, піддається впливу магнітного поля, яке змушує верхній спін рухатися вліво, а нижній — вправо. Сам алмаз розщеплюється на суперпозицію двох траєкторій.

У повному експерименті вчені повинні зробити все це з двома алмазами — червоним і синім, припустимо — розташованими поруч у сверххолодном вакуумі. Коли пастка, утримує їх, відключиться, два микроалмаза, кожен у суперпозиції двох положень, будуть падати вертикально у вакуумі. По мірі падіння алмази будуть відчувати гравітацію кожного з них. Наскільки сильним буде їх гравітаційне тяжіння?

Якщо гравітація є квантовим взаємодією, відповідь така: в залежності від чого. Кожен компонент суперпозиції синього алмазу буде відчувати більш сильне або слабке тяжіння до червоного алмазу, в залежності від того, перебуває чи останній гілки суперпозиції, яка ближче або далі. І гравітація, яку буде відчувати кожен компонент суперпозиції червоного алмазу, точно так само залежить від стану синього алмазу.

У кожному з випадків різні ступені гравітаційного тяжіння впливають на еволюціонує компоненти суперпозиций алмазів. Два алмазу стають взаємозалежними, тому що їх стану можна буде визначити тільки в поєднанні — якщо це, значить те — тому, в кінцевому підсумку, напрямки спінів двох систем NV-центрів будуть корелювати.

Після того як микроалмазы будуть падати пліч-о-пліч протягом трьох секунд — цього достатньо, щоб заплутатися в гравитациях, — вони пройдуть через інше магнітне поле, яке знову поєднає гілки кожної суперпозиції. Останній крок експерименту — протокол «заплутаного знання» (entanglement witness), розроблений датським фізиком Барбарою Терал та іншими: синій і червоний алмази входять у різні пристрої, які вимірюють напрямку спина систем NV-центрів. (Вимірювання призводить до колапсу суперпозиций в певні стани). Потім два результати зіставляються. Проводячи експеримент знову і знову і порівнюючи безліч пар вимірювань спина, вчені можуть визначити, чи дійсно спини двох квантових систем корелювали між собою частіше, ніж визначає верхню межу об’єктів, які не є квантово-механічно заплутаними. Якщо так, гравітація дійсно заплутує алмази і може підтримувати суперпозиції.

«Що цікаво в цьому експерименті, так це те, що вам не потрібно знати, що таке квантова теорія», говорить Бленкоу. «Все, що потрібно, це стверджувати, що є якийсь квантовий аспект в цій області, який опосередкований силою між двома частинками».

Технічних труднощів — маса. Найбільший об’єкт, який поміщали в суперпозицію у двох місцях до цього, представляв собою 800-атомну молекулу. Кожен микроалмаз містить більше 100 мільярдів атомів вуглецю — цього достатньо, щоб накопичити відчутну гравітаційну силу. Розпакування його квантово-механічного характеру потребує низьких температур, глибокого вакууму і точного контролю. «Дуже багато роботи полягає в налаштуванні початкової суперпозиції і запуску», говорить Пітер Баркер, член експериментальної команди, яка вдосконалює методи лазерного охолодження і упіймання микроалмазов. Якщо б це можна було зробити з одним алмазом, додає Бозі, «другий не складе проблеми».

У чому унікальність гравітації?

Дослідники квантової гравітації не сумніваються в тому, що гравітація — це квантове взаємодія, здатне викликати заплутаність. Звичайно, гравітація в чомусь унікальна, і ще багато чого належить дізнатися про походження простору і часу, але квантова механіка точно повинна бути залучена, кажуть вчені. «Ну, правда, який сенс в теорії, в якій велика частина фізики квантової, а гравітація класична», говорить Деніел Харлоу, дослідник квантової гравітації в MIT. Теоретичні аргументи проти змішаних квантово-класичних моделей дуже сильні (хоча і не безперечні).

З іншого боку, теоретики помилялися і раніше. «Якщо можна перевірити, чому ні? Якщо це заткне цих людей, які ставлять під питання квантовость гравітації, буде здорово», вважає Харлоу.

Прочитавши роботи, Дайсон написав: «Пропонований експеримент, безумовно, представляє великий інтерес і вимагає проведення в умовах справжньої квантової системи». Однак він зазначає, що напрямок думки авторів про квантових полях відрізняються від його. «Мені незрозуміло, чи зможе цей експеримент вирішити питання існування квантової гравітації. Питання, яке я задавав — спостерігаємо окремий гравітон — це інше питання, і він може мати іншу відповідь».

Напрямок думки Бозі, Марлетто і їх колег про квантованной гравітації виникає з робіт Бронштейна ще в 1935 році. (Дайсон назвав роботу Бронштейна «прекрасною роботою», яку він не бачив раніше). Зокрема, Бронштейн показав, що слабка гравітація, рождаемая малою масою, може бути апроксимована законом тяжіння Ньютона. (Це сила, яка діє між суперпозициями микроалмазов). На думку Бленкоу, розрахунки слабкою квантованной гравітації особливо не проводилися, хоча безумовно є більш релевантними, ніж фізика чорних дір або Великого Вибуху. Він сподівається, що нове експериментальне пропозицію спонукає теоретиків на пошук тонких уточнень до ньютоновскому наближення, яке майбутні настільні експерименти могли б спробувати перевірити.

Леонард Сасскинд, відомий теоретик квантової гравітації і струн в Стенфордському університеті, побачив цінність запропонованого експерименту, тому що «він забезпечує спостереження гравітації в новому діапазоні мас і відстаней». Але він і інші дослідники підкреслили, що микроалмазы не можуть виявити нічого про повну теорії квантової гравітації або простору-часу. Він і його колеги хотіли б зрозуміти, що відбувається в центрі чорної діри і в момент Великого Вибуху.

Можливо, одна з підказок до того, чому квантовать гравітацію настільки важче, ніж все інше, лежить у тому, що інші сили природи володіють так званої «локальністю»: квантові частинки в одній області поля (фотони в електромагнітному полі, наприклад) «незалежні від інших фізичних сутностей в іншій області простору», говорить Марк ван Раамсдонк, теоретик квантової гравітації з Університету Британської Колумбії. «Але є багато теоретичних доказів того, що гравітація працює не так».

У кращих пісочних моделях квантової гравітації (з спрощеними просторово-тимчасовими геометриями) неможливо припустити, що стрічкова просторово-тимчасова тканина ділиться на незалежні тривимірні шматочки, говорить ван Раамсдонк. Натомість сучасна теорія припускає, що пролягають нижче, фундаментальні складові простору «організовані скоріше двомірне». Тканина простору-часу може бути як голограма або відеогра. «Хоча тривимірна картинка, інформація зберігається на двовимірному комп’ютерному чіпі». У такому разі тривимірний світ буде иллюзей в тому сенсі, що різні його частини не є настільки незалежними. У аналогією з відеогрою, кілька бітів на двовимірному чіпі можуть кодувати глобальні функції всієї ігрової всесвіту.

І ця різниця має значення, коли ви намагаєтеся створити квантову теорію гравітацію. Звичайний підхід до квантованию чого-небудь полягає у визначенні його незалежних частин — частинок, наприклад, — і потім застосуванні до них квантової механіки. Але якщо ви не визначаєте правильні складові, ви отримуєте неправильні рівняння. Пряме квантування тривимірного простору, який хотів зробити Бронштейн, працює в деякій мірі зі слабкою гравітацією, але виявляється марним, коли простір-час сильно викривлений.

Деякі експерти кажуть, що засвідчення «усмішки» квантової гравітації може призвести до мотивації подібного роду абстрактних міркувань. Зрештою, навіть найгучніші теоретичні аргументи про існування квантової гравітації не підкріплюються експериментальними фактами. Коли ван Раамсдонк пояснює свої дослідження на колоквіумі вчених, говорить він, зазвичай все починається з розповіді про те, що гравітацію потрібно переосмислити з квантовою механікою, тому що класичне опис простору-часу ламається на чорних дірах і Великому Вибуху.

«Але якщо провести цей простий експеримент і показати, що гравітаційне поле було в суперпозиції, провал класичного опису стане очевидним. Тому що буде експеримент, який передбачає, що гравітація — квантова».

За матеріалами Quanta Magazine