21.02.2025. - Квантовые эффекты заставляют объекты двигаться вместе

Квантовые эффекты заставляют объекты двигаться вместе

Галактики, планеты, черные дыры - для большинства людей все, что связано с нашей Вселенной, кажется огромным. Но хотя многое из того, что происходит за миллионы световых лет от нас, действительно масштабно, существуют также процессы, происходящие на квантовом уровне. Это область науки, которая объясняет, как природа работает в очень малых масштабах — меньше, чем атомы. На этом уровне все происходит удивительным образом.

Физики—теоретики Партха Нанди и Бибхас Ранджан Маджи исследовали возможность того, что гравитационные волны — рябь в пространстве, вызванная перемещением или столкновением массивных объектов, - могут обладать квантовыми свойствами. Они поделились своими открытиями с The Conversation Africa.

Что такое гравитационные волны?

Проще говоря, они похожи на крошечную рябь в пространстве, подобную волнам, которые вы видите, когда разбрызгиваете воду. Они возникают, когда действительно тяжелые объекты в космосе, такие как звезды или черные дыры, перемещаются или сталкиваются друг с другом. Затем эта рябь распространяется по пространству и переносит энергию.

Они также представляют собой нечто большее: это способ коммуникации. Они передают информацию о крупных космических событиях, помогая ученым "слушать" космос таким образом, который был невозможен до того, как было подтверждено их существование.

В 1916 году легендарный физик-теоретик Альберт Эйнштейн опубликовал новаторскую статью, в которой изложил свою общую теорию относительности. Он описал гравитацию не как силу, а как искривление пространства и времени, вызванное воздействием массивных объектов. Этот изгиб влияет на то, как перемещаются объекты, точно так же, как тяжелый мяч, помещенный на растянутый резиновый лист, заставляет более мелкие объекты катиться к нему.

Эйнштейн точно предсказал движение планет, черных дыр и даже то, как свет огибает массивные объекты, а также существование гравитационных волн, распространяющихся в пространстве—времени при перемещении или столкновении этих массивных объектов.

Потребовалось почти 100 лет, чтобы гипотеза Эйнштейна о гравитационных волнах получила подтверждение. Именно тогда лазерная интерферометрическая гравитационно-волновая обсерватория (LIGO) в США впервые обнаружила эти волны. Это заняло так много времени, потому что, несмотря на то, что гравитационные волны кажутся огромными, они очень малы: они растягивают или сжимают пространство в 1000 раз меньше размера атома. Для их обнаружения требовались специальные инструменты, и передовые технологии LIGO справились с этой задачей.

Вы утверждаете, что некоторые гравитационные волны имеют квантовую природу. Что это значит?

"Квантовая механика" — это раздел науки, который объясняет, как работает природа в очень малых масштабах - меньше, чем атомы. На этом уровне вещи ведут себя удивительным образом.

Например, крошечные частицы могут вести себя как волны. Они также могут находиться в нескольких состояниях одновременно, что называется суперпозицией. Кроме того, они могут быть таинственным образом связаны, так что изменение в одном из них мгновенно влияет на другое, независимо от того, насколько далеко они находятся друг от друга. Это называется запутанностью.

Хорошим примером могут служить фотоны. Это частицы света, и ученые доказали, что они ведут себя "квантовым" образом, например, могут существовать в суперпозиции или запутываться друг с другом.

Запутанность - это своего рода связь, но она гораздо глубже, чем простая привязка. Когда два объекта связаны, они разделяют нечто, называемое квантовым состоянием. Это описывает все, что касается частицы или системы. Это похоже на схему, но вместо фиксированных деталей она дает возможность найти частицу при различных условиях, таких как ее положение или скорость.

Когда два объекта имеют общее квантовое состояние, их поведение таинственным образом взаимосвязано. Если вы измерите один объект, состояние другого немедленно изменится, независимо от того, насколько далеко они находятся друг от друга. Именно это делает запутанность такой особенной и непохожей ни на что, что мы видим в повседневном мире.

Что показало ваше исследование?

Мы предположили, что гравитационные волны могут обладать как классическими, так и квантовыми свойствами. Те, которые были обнаружены LIGO на данный момент, ведут себя классически, что соответствует общей теории относительности Эйнштейна.

Но современные детекторы LIGO недостаточно чувствительны для обнаружения квантовых эффектов, и не было никакого способа узнать, верна ли наша гипотеза. Поэтому мы смоделировали детектор, аналогичный LIGO последнего поколения, у которого зеркала прикреплены к кронштейнам, которые могут двигаться и вибрировать.

Классические гравитационные волны заставляют зеркала двигаться определенным образом, но в нашем исследовании квантовые гравитационные волны — крошечная рябь, вызванная частицами, называемыми "гравитонами", — воздействовали на зеркала по-другому. Они могут привести к запутыванию режимов колебаний зеркал: части движения перемещаются вместе таким образом, который не могут создать классические волны.

Чтобы наглядно представить это, представьте себе два колокольчика, расположенных далеко друг от друга и синхронно раскачивающихся под действием невидимого дуновения ветерка. В данном случае квантовые гравитационные волны подобны этому дуновению. Они заставляют удаленные объекты двигаться вместе так, как не могут двигаться классические гравитационные волны.

Это говорит о том, что в очень малых масштабах гравитационные волны могут проявлять квантовые свойства, такие как запутанность, которые невозможно объяснить классическими методами. Мы не утверждаем, что все гравитационные волны являются квантовыми. Однако это не означает, что все гравитационные волны являются квантовыми по своей природе. Вместо этого, те, которые возникли в ранней Вселенной примерно 13,8 миллиардов лет назад, могут нести квантовые сигнатуры. Эти типы гравитационных волн могут содержать информацию о ранней Вселенной, особенно о времени Большого взрыва, и о том, как они могли изменяться с течением времени.

Почему это важное открытие?

Подтверждение квантовой природы гравитационных волн связывает теорию относительности Эйнштейна с квантовой механикой, решая головоломку, которая десятилетиями ставила физиков перед фактом: сложность согласования принципов общей теории относительности, описывающих гравитацию в больших масштабах, с законами квантовой механики, которые управляют поведением частиц в мельчайших масштабах.

Этот прорыв может революционизировать наше понимание Вселенной. Квантовая природа гравитационных волн может помочь современным датчикам обнаруживать слабые космические сигналы и дать представление о происхождении Вселенной, поведении черных дыр и структуре реальности. В то время как LIGO уже добилась большого прогресса в измерении гравитационных волн, изучение их квантовой стороны открывает новую область физики.

Важно отметить, что потребуются дополнительные исследования, чтобы проверить и повторить наши результаты в различных экспериментальных условиях. Мы далеко не единственные, кто изучает эти явления, и надеемся, что наши результаты укрепят усилия южноафриканских институтов, таких как Национальный институт теоретических и вычислительных наук (NITheCS) и исследовательская группа астрофизики Стелленбосского университета, которые вносят свой вклад в гравитационно-волновую астрофизику посредством анализа данных, сотрудничества и теоретической работы.

Достижения в области технологий также будут играть ключевую роль в расширении возможностей для исследования квантовых гравитационных волн. Обсерватория LIGO-Индия, которая должна начать функционировать к 2030 году, станет одной из таких возможных экспериментальных площадок.

Источник