Ученые готовят эксперимент для выяснения природы гравитации
Все современное понимание мироздания строится на двух фундаментальных теориях: квантовой механике и общей теории относительности (ОТО), предложенной Альбертом Эйнштейном. Первая описывает мир частиц как систему вероятностей, где каждое событие имеет тот или иной шанс на реализацию. Общая теория относительности, в свою очередь, объясняет существование гравитации как искривление пространства-времени под воздействием массы и энергии.
Главная проблема
Однако проблема в том, что эти две теории, несмотря на их успехи в своих областях, категорически не согласуются друг с другом. Попытки объединить их в единую теорию, например, через струнную теорию или петлевую квантовую гравитацию, пока не увенчались успехом. Однако ученые не сдаются и продолжают искать экспериментальные подтверждения, которые помогут пролить свет на природу гравитации.
Главная сложность заключается в том, что гравитация действует на макроскопическом уровне, описываемом ОТО, тогда как квантовая механика работает на уровне субатомных частиц. Эти два подхода настолько различны, что их объединение в единую теорию становится чрезвычайно сложной задачей. Например, квантовая механика допускает явления, которые кажутся парадоксальными с точки зрения классической физики, такие как суперпозиция и квантовая запутанность. С другой стороны, ОТО описывает гравитацию как гладкое и непрерывное искривление пространства-времени, что не согласуется с дискретной природой квантового мира.
Квантовая запутанность
Одним из наиболее перспективных подходов к изучению квантовой природы гравитации является использование явления квантовой запутанности. Это состояние, при котором две частицы или системы ведут себя согласованно, даже если находятся на большом расстоянии друг от друга. Если удастся доказать, что гравитация способна вызывать квантовую запутанность между двумя объектами, это станет прямым свидетельством того, что гравитация имеет квантовую природу.
Физик Маркус Аспельмайер из Вены предложил эксперимент, который может подтвердить эту гипотезу. Для этого необходимо взять крошечную частицу и поместить ее в состояние суперпозиции, когда она как бы одновременно находится в двух местах, то есть вероятность ее нахождения и там, и там — одинакова. Затем ученые будут проверять, “запутается” ли с ней другая частица, если на нее действует только гравитация. Если это произойдет, то гравитация действительно может быть квантовой.
Однако есть технические трудности: чем больше объект, тем сложнее удержать его в состоянии суперпозиции. На данный момент ученым удавалось это только с молекулами и небольшими стеклянными сферами, подвешенными лазером. Для успешного проведения эксперимента потребуются объекты массой в десятки микрограммов, но современная техника пока не позволяет достичь таких результатов.
Другие подходы к изучению гравитации
Помимо экспериментов с квантовой запутанностью, ученые разрабатывают и другие методы проверки природы гравитации. Например, исследователи планируют использовать микроскопические алмазы для создания квантовых систем, которые могут взаимодействовать через гравитацию. Этот подход также сталкивается с техническими ограничениями, но его реализация может дать новые данные о природе гравитации.
Еще один подход заключается в использовании мощных лазерных установок, аналогичных детекторам гравитационных волн LIGO, но в миниатюрном масштабе. Такие установки способны фиксировать мельчайшие возмущения в пространстве-времени, которые могут быть предсказаны некоторыми квантовыми теориями гравитации. Если удастся обнаружить такую “рябь” или колебания, это также станет доказательством квантовой природы гравитации.
Существуют также гипотезы, согласно которым гравитация может оставаться классической, но при этом демонстрировать элементы случайности. Например, такие модели можно проверить, фиксируя крошечные случайные движения свободно падающих объектов. Эти эксперименты требуют высокой точности измерений, но они могут открыть новые аспекты взаимодействия гравитации с квантовым миром.
