Учёные сделали шаг к разгадке одной из величайших тайн Вселенной — природы гравитации. Недавний эксперимент с крошечной частицей показал результаты, которые могут изменить наше понимание фундаментальных законов физики и приблизить к разгадке происхождения космоса.
Отпечатки гравитации вокруг нас
Куда бы вы ни посмотрели, всюду виден «отпечаток» гравитации. Она проявляется в орбите Луны, которая каждую ночь обходит вокруг Земли, и в тяжёлом падении на скользкой зимней дорожке, когда ноги не удерживают равновесие.
Эта сила управляет нашей повседневной жизнью и даже позволяет фиксировать столкновения чёрных дыр, происходящие за миллиарды световых лет от нас. Однако, несмотря на её колоссальное значение как в космическом, так и в человеческом масштабе, на уровне квантовой физики гравитация едва заметна.
Попытки объединить классический и квантовый мир
В течение десятилетий учёные мечтали найти способ объединить её проявления в классическом и квантовом мире. Для этого предлагались сложные концепции, такие как теория струн или петлевая квантовая гравитация. Единая теория гравитации могла бы стать ключом и к другим тайнам: объяснению начала Большого взрыва или природе тёмной материи. Но одно дело — создавать теории, и совсем другое — уметь фиксировать ничтожные проявления гравитации на квантовом уровне.
Прорывное исследование
Именно здесь на помощь приходит новое исследование, опубликованное в журнале Science Advances. Международная группа учёных из Великобритании, Нидерландов и Италии разработала настолько чувствительный эксперимент, что сумела зафиксировать гравитационное воздействие величиной в одну квинтиллионную часть ньютона (порядка одного аттоньютона) на частицу массой всего 0,43 миллиграмма. Для сравнения: один ньютон — это примерно сила тяжести, с которой Земля прижимает яблоко к столу.
Старший автор статьи, профессор теоретической физики Лейденского университета в Нидерландах Терк Остеркамп, подчёркивает: хотя измерение и было выполнено на крошечной частице — самой маленькой из когда-либо исследованных в этом контексте, — оно всё ещё «на миллионы миль» от фиксации эффектов квантовой гравитации.
«Мы говорим лишь о том, что сделали шаг на пути к измерению квантовой гравитации», — поясняет учёный.
Как устроен эксперимент
Чтобы представить себе задачу исследователей, можно провести аналогию со звуковыми волнами. Чем тише звук, тем чувствительнее должен быть микрофон, и тем тщательнее нужно отсекать фоновые шумы. Аналогично, чем меньше объект, тем «тише» его гравитация.
Чтобы «услышать» гравитационное воздействие на частицу массой 0,43 миллиграмма, команда Остеркампа создала эксперимент, в котором тщательно отсекались лишние вибрации. Ведь тепловое движение частиц порождает хаотические колебания, способные замаскировать слабый сигнал. Чем холоднее условия опыта, тем меньше случайных вибраций.
Для достижения этой цели учёные применили целый набор технологий. Они использовали разбавляющий криостат, аналогичный тем, что применяются для охлаждения квантовых компьютеров, чтобы максимально снизить тепловую энергию. Кроме того, была построена система «масса–пружина», поглощающая внешние вибрации. А для изоляции частицы применили сверхпроводящую ловушку, в которой объект буквально «левитировал», оставаясь максимально защищённым от помех. Рядом разместили вторую массу весом 2,4 килограмма, которая создаёт гравитационное воздействие на левитирующую частицу. Так два объекта, подобно Земле и Луне, начинают взаимодействовать друг с другом через силу тяжести.
Трудности и неожиданный успех
По словам Остеркампа, особенность эксперимента заключается в том, что вся конструкция должна работать при экстремально низких температурах, близких к абсолютному нулю — минус 273,15 C. Учёный признаётся, что изначально сомневался в самой возможности такого опыта.
«Я и сам не ожидал, что это получится, — вспоминает он. — Когда я показал установку коллеге, уже вышедшему на пенсию, он увидел все эти массы и пружины, подвешенные к холодной пластине криостата, и с удивлением спросил: “Почему ты вообще думаешь, что сможешь охладить эту рождественскую ёлку?”»
Тем не менее именно благодаря всем этим мерам предосторожности команда сумела измерить гравитационное воздействие величиной 30 аттоньютонов на левитирующую частицу.
Оценка коллег и перспективы
Другие учёные тоже оценивают перспективы работы. Профессор теоретической физики Калифорнийского университета в Беркли Ясунори Номура отмечает: хотя такая экспериментальная установка может помочь выделить гравитацию ещё меньших объектов, она имеет свои пределы.
«Это шаг в сторону прямого наблюдения гравитации в подлинно квантовом режиме, — говорит Номура. — Но нужно понимать: эффекты квантовой гравитации проявляются только на невероятно малых масштабах. Достичь их с помощью современных методов, включая левитацию частиц в сверхпроводящих ловушках, невозможно».
Учёный добавляет, что могут существовать и другие подходы к поиску квантовой гравитации, которые не потребуют прямых измерений на таких крошечных объектах.
Будущее исследований
Хотя детектор гравитации Остеркампа ещё далёк от фиксации квантовых эффектов, сам исследователь надеется, что его работа скоро поможет в другой области — в поиске гравитационных волн. Эти «рябь» в ткани пространства-времени возникают при грандиозных событиях, например при столкновении чёрных дыр. Сегодня их уже улавливают установки вроде американского LIGO или европейской VIRGO, фиксируя микроскопические изменения в пути лазерного луча, проложенного на километры.
«Мы надеемся построить преемника LIGO и VIRGO — так называемый “Телескоп Эйнштейна”, — рассказывает Остеркамп. — Его планируется возвести в Европе к середине 2030-х годов. Наши коллеги учат нас, как уменьшать внешние вибрации, а мы делимся опытом охлаждения систем».
С этим согласен и профессор физики Калифорнийского технологического института Рана Адхикари, один из участников LIGO. Он подчёркивает, что умение подавлять шумы с помощью охлаждения станет решающим фактором для будущих детекторов гравитационных волн.
«Самое удивительное здесь то, как они смогли достичь столь низких температур и при этом удерживать ускорения на минимальном уровне, — отмечает Адхикари. — Будущие установки будут строиться именно на этом фундаменте. Если удастся работать при таких температурах, почти все источники термодинамического шума, с которыми мы боремся сегодня, исчезнут».
Таким образом, хотя работа Остеркампа пока не открыла прямой дороги к измерению квантовой гравитации, она, по словам Адхикари, является важной частью глобальной головоломки.
«Это прекрасный пример того, как экспериментальная изобретательность открывает совершенно новые способы изучения Вселенной, — подытоживает он. — Путь к квантовой гравитации будет вымощен всё более чувствительными экспериментами».
