|
Лазерный луч и квантовая природа гравитации
|
|
|
|
При слиянии двух черных дыр или столкновении двух нейтронных звезд могут генерироваться гравитационные волны. Они распространяются со скоростью света и вызывают крошечные искажения пространства-времени. Альберт Эйнштейн предсказал их существование, и первое прямое экспериментальное наблюдение датируется 2015 годом.
|
|
|
|
Итак, проф. Ральф Шютцхольд, физик-теоретик из Дрезденского центра Гельмгольца в Россендорфе (HZDR), делает еще один шаг вперед. Он задумал эксперимент, с помощью которого гравитационные волны можно не только наблюдать, но и манипулировать ими. Эта идея, опубликованная в журнале Physical Review Letters, может также по-новому взглянуть на квантовую природу гравитации, о которой до сих пор только догадывались.
|
|
|
|
"Гравитация влияет на все, включая свет", - говорит Шютцхольд. И это взаимодействие также происходит, когда встречаются гравитационные и световые волны.
|
|
|
|
Идея Шютцхольда заключается в передаче крошечных порций энергии от световой волны к гравитационной. При этом энергия световой волны немного уменьшается, а энергия гравитационной волны увеличивается на ту же величину. Эта энергия равна энергии одного или нескольких гравитонов, обменных частиц притяжения, которые были постулированы в теоретических моделях, но еще не доказаны.
|
|
|
|
|
|
|
"Это сделало бы гравитационную волну чуть более интенсивной", - объясняет физик. Световая волна, с другой стороны, теряет точно такое же количество энергии, что приводит к незначительному изменению частоты световой волны.
|
|
|
|
"Этот процесс может происходить и наоборот", - продолжает Шютцхольд. В этом случае гравитационная волна передает световой волне пакет энергии. Должна быть возможность измерить оба эффекта, то есть вынужденное излучение и поглощение гравитонов, хотя и со значительными экспериментальными усилиями.
|
|
|
|
Шютцхольд рассчитал огромные масштабы такого эксперимента: потенциально лазерные импульсы в видимом или ближнем инфракрасном диапазоне спектра могут отражаться от двух зеркал до миллиона раз. В установке длиной около километра это позволило бы получить оптический путь длиной около миллиона километров. Такого порядка величины достаточно для проведения необходимых измерений энергетического обмена, вызванного поглощением и излучением гравитонов при встрече света и гравитационной волны.
|
|
|
|
Однако изменение частоты световой волны, вызванное поглощением или высвобождением энергии одного или нескольких гравитонов при взаимодействии с гравитационной волной, чрезвычайно мало. Тем не менее, с помощью тщательно сконструированного интерферометра должно быть возможно продемонстрировать эти изменения частоты.
|
|
|
|
При этом частота двух световых волн меняется по—разному - в зависимости от того, поглощают они гравитоны или излучают их. После этого взаимодействия и прохождения оптического пути они снова накладываются друг на друга и генерируют интерференционную картину. Исходя из этого, можно сделать вывод о произошедшем изменении частоты и, следовательно, о переносе гравитонов.
|
|
Эксперимент также может дать представление о квантовых свойствах гравитационного поля
|
|
|
|
"От первоначальной идеи до эксперимента может пройти несколько десятилетий", - говорит Шютцхольд. Но, возможно, в этом случае это произойдет раньше, поскольку обсерватория LIGO — аббревиатура от гравитационно-волновой обсерватории с лазерным интерферометром, которая занимается обнаружением гравитационных волн, демонстрирует сильное сходство.
|
|
|
|
LIGO состоит из двух вакуумных трубок L-образной формы длиной около четырех километров. Светоделитель направляет лазерный луч на оба плеча детектора. Проходя через них, входящие гравитационные волны минимально искажают пространство-время, что приводит к изменению на несколько аттометров (10^-18 метров) первоначально равной длины двух рукавов. Это незначительное изменение длины изменяет интерференционную картину лазерного излучения, генерируя различимый сигнал.
|
|
|
|
В интерферометре, созданном по идее Шютцхольда, можно было бы не только наблюдать гравитационные волны, но и впервые манипулировать ими путем вынужденного излучения и поглощения гравитонов. По словам Шютцхольда, световые импульсы, фотоны которых запутаны, то есть квантово-механически связаны, могут еще больше значительно повысить чувствительность интерферометра.
|
|
|
|
"Тогда мы могли бы даже сделать выводы о квантовом состоянии самого гравитационного поля", - говорит Шютцхольд. Хотя это и не было бы прямым доказательством существования гипотетического гравитона, который является предметом интенсивных споров среди физиков, это, по крайней мере, было бы убедительным свидетельством его существования.
|
|
|
|
В конце концов, если бы световые волны не проявляли предсказанных эффектов интерференции при взаимодействии с гравитационными волнами, существующая теория, основанная на гравитонах, была бы опровергнута. Поэтому неудивительно, что концепция Шутцхольда по манипулированию гравитационными волнами вызывает большой интерес у его коллег.
|
|
|
|
Источник
|
