В продължение на почти един век физиката живее в състояние

В продължение на съвсем един век физиката живее в положение на спокоен ерес. От едната страна е величествената постройка на общата доктрина на относителността на Айнщайн, която разказва гравитацията като плавна, непрекъсната кривина на пространство-времето. От другата страна е странният и необикновено сполучлив свят на квантовата механика, където всички сили и частици се държат като дискретни частици или „ кванти “. Тези два стълба на актуалната просвета работят чудесно в своите области, само че обезверено не желаят да се примирят един с различен.

Мостът сред тях би трябвало да е гравитонът – хипотетична парченце, квант на гравитационното поле. Нейното разкриване би било най-големият успех, потвърждаващ, че гравитацията, както и другите фундаментални сили, е квантова по природа. Проблемът? До наскоро задачата се смяташе за на практика невъзможна. А в този момент, когато група физици предложиха грациозен и изненадващо реален метод за „ чуване “ на гравитона, избухна нов спор: дали това в действителност ще потвърди нещо?

Гравитонът: за какво е толкоз мъчно да бъде уловен?

Представете си, че се пробвате да чуете шепот на един човек на рок концерт. Приблизително толкоз мъчно е да се открие един гравитон. Гравитацията е учудващо слаба мощ. Магнит с размерите на пощенска марка може елементарно да задържи сувенир на хладилника ви, побеждавайки гравитационното привличане на цялата планета Земя.

Поради тази слаба мощ гравитационните резултати стават забележими единствено в мащаба на планетите и звездите. За да се появят гравитационни талази – пулсации в тъканта на пространство-времето – са нужни катаклизми от галактически мащаб, като обединение на черни дупки. Но даже тези титанични събития основават талази, хиляди пъти по-малки от диаметъра на протона на Земята. Обсерваторията LIGO се е научила да ги записва, само че това към момента е регистрация на цялата „ вълна “, а не на обособените ѝ „ капки “ – гравитоните.

Изчисленията от последните години рисуваха потискаща картина. Физикът Фрийман Дайсън пресметна, че детектор с размерите на Земята за цялото битие на Слънцето ще улови от него единствено няколко гравитона. Други калкулации предлагаха да се построят машини с размерите на Юпитер и да се разположат наоколо до неутронни звезди. С други думи, това е задача за далечното бъдеще или за друга цивилизация.

Квантова камбана за галактическите пулсации.

Всичко това се промени с една нова концепция, препоръчана от екипа на физика Игор Пиковски. Тяхната работа обръща казуса с главата надолу. Вместо да преследват един неосезаем гравитон, те оферират да подслушват неговите резултати в особено готова система.

Схема на оферти датчик за гравитационни талази, основан на акустичните режими на свръхфлуидния хелий

Тяхната идея припомня на тънък музикален инструмент:

Взема се слитък берилий с тегло към 15 кг. Той се охлажда до температура, близка до безспорната нула. В това положение съвсем цялата топлинна сила се отстранява и слитъкът престава да „ трепери “. Той замръзва в най-ниското си допустимо енергийно положение – „ главно положение “. Най-важният миг: при тази температура всички атоми на слитъка стартират да се държат като един великански квантов обект. Това към този момент не е просто парче метал, а самобитен „ макроатом “.

След това тази „ квантова камбана “ е подготвена. Когато гравитационна пулсация от обединение на неутронна звезда – същинско цунами от гравитони – премине около Земята, има огромна възможност най-малко един от тях да взаимодейства със слитъка. Това взаимоотношение ще съобщи тъкмо един квант сила на слитъка. „ Камбаната “ безшумно ще „ звънне “, преминавайки към идващото енергийно равнище. След като запишат този скок синхронно със сигнала от обсерваторията LIGO, учените ще могат да кажат сигурно: станахме очевидци на квантово събитие, породено от гравитацията.

Изведнъж задачата се трансформира от научна фантастика в „ необикновено сложна, само че осъществима през идващите години “. Това ще се трансформира в първия в историята прозорец към света на пробната квантова гравитация. Но тъкмо тук историята прави неочакван завой.

Диаграми на посоките за акустичния режим (l, m, n) = (0, 2, 0) на цилиндричен резонатор

Дежавю от 1905 година: призракът на фотона

Иронията е, че препоръчаният опит в действителност е гравитационен аналог на опита, който преди повече от 100 години донесе на Айнщайн Нобелова премия и, както нормално се счита, потвърди съществуването на фотона. Става дума за фотоелектричния резултат.

Същността на загадката е елементарна: за какво слабата синя светлина може да избие електроните от метала, а всяка, даже най-ослепителната, алена светлина – не? Айнщайн допусна, че светлината е формирана от порции – кванти (фотони), а силата на всеки квант зависи от неговия цвят (честота). Сините фотони имат задоволително сила, с цел да „ изхвърлят “ електрон, до момента в който алените фотони не могат, без значение какъв брой са.

Изглежда, че всичко е ясно. Но научната общественост, включваща такива колоси като Нилс Бор и Макс Планк, не бърза да се съгласи. Те показаха контра-идея, известна през днешния ден като полукласическа доктрина. Какво ще стане, в случай че единствено материята (електроните в метала) е квантифицирана, а светлината остане класическа, непрекъсната вълна?

Представете си дете на люлка. За да го люлеете, би трябвало да го бутате с избрана, резонансна периодичност. Ако я бутате безредно, това няма да се получи. Полукласическата доктрина твърди същото: електроните в метала са като люлка със лична „ резонансна периодичност “. Само светлинни талази с подобаваща периодичност (синя) могат да трансферират сила към тях, само че талази с друга периодичност (червена) не могат, без значение какъв брой мощни са.

От позиция на това пояснение не светлината е количествено измерима, а единствено нейното взаимоотношение с материята. Бяха нужни десетилетия и напълно разнообразни опити (например конфликти на фотони с електрони), с цел да се затвори най-сетне този пропуск и да се потвърди, че фотонът е действителна парченце, а не заблуда.

Силовите линии на ефикасната приливна мощ, генерирана от гравитационна вълна с позитивна поляризация (А). Силата работи перпендикулярно на посоката на разпространяване на вълната. Същите силови линии, завъртени назад на часовниковата стрелка с ъгъл Ψ = π/4, показват резултата от вълна с напречна поляризация

Какво в действителност ще потвърдим? Война на интерпретациите

Днес търсачите на гравитони се намират в същата обстановка, в която са били физиците при започване на XX век. Експериментът на Пиковски може да проработи. Но какво ще потвърди той?

Лагерът на прагматиците (представляван да вземем за пример от нобеловия лауреат Франк Вилчек) твърди, че позитивният резултат би бил грамаден пробив. Да, теоретично е допустимо да се стигне до „ полукласически “ модел, при който класическите гравитационни талази се възбуждат от квантов детектор. Но такива модели наподобяват изкуствени, нарушават фундаментални правила като закона за опазване на силата и, почтено казано, малко хора ги харесват. За голямото болшинство физици това ще бъде безапелационен сигнал: гравитацията е квантова и ние сме на прав път.

Лагерът на „ юристите “ (Даниел Карни е техен говорител) възразява: това не е задоволително. Ние към този момент одобряваме, че всичко в света е квантово. Това, от което се нуждаем, не са „ безапелационни сигнали “, а стоманени доказателства, които изключват всевъзможни, даже и най-екзотичните други възможности. Според тях опитът на Пиковски не затваря главната малка врата: той не потвърждава, че самите гравитационни талази се състоят от дискретни частици. Той единствено демонстрира, че силата им се предава на материята в количествено избрани елементи.

За да се получи неопровержимо доказателство, би било належащо да се изградят същите тези детектори с размерите на планета и да се уловят единични гравитони един по един.

Първата стъпка по един дълъг път

И по този начин, какво ще получим в последна сметка? Стоим на прага на опит, който може да се трансформира в един от най-важните опити във физиката на 21-ви век. Той няма да даде финален отговор, само че ще бъде първата същинска стъпка в неразучените земи, където се срещат гравитацията и квантовата механика.

Дори този опит да не се трансформира в „ дефинитивно доказателство “ за съществуването на гравитона, той ще открие ерата на пробната квантова гравитация. Той ще послужи като насочна точка за нови, още по-сложни опити, които ще ревизират други аспекти на квантовата природа на гравитацията – суперпозиция, усложнение.

Може би борбата за гравитона, както и борбата за фотона, ще продължи десетилетия. Но първият изстрел е на път да бъде даден. И даже да породи повече въпроси, в сравнение с отговори, той ще значи, че най-сетне сме почнали да задаваме верните въпроси на природата за нейната най-фундаментална конструкция.