Когда где-то в глубоком космосе сливаются две черные дыры, во все стороны расходится гравитационная волна — дрожь самой ткани пространства-времени. К тому моменту, как эта рябь добирается до Земли, она становится настолько слабой, что для ее поимки физикам приходится строить циклопические сооружения вроде обсерватории LIGO.
Это гигантские Г-образные вакуумные трубы длиной по четыре километра, внутри которых лазерные лучи с параноидальной точностью измеряют смещение зеркал на величину, в тысячи раз меньшую размера протона. Подобные махины невероятно дороги, намертво привязаны к рельефу и ловят далеко не все частоты гравитационных волн.
Группа физиков-теоретиков из Стокгольмского университета, института Nordita и Тюбингенского университета решила пойти принципиально иным путем. В своей свежей работе, опубликованной в авторитетном журнале Physical Review Letters, они математически доказали, что лучшими детекторами гравитационных волн могут оказаться обычные атомы, а саму измерительную установку однажды удастся уместить в миллиметровом масштабе.
Суть этого механизма спрятана глубоко на квантовом уровне. Когда атом поглощает порцию энергии, он переходит в нестабильное возбужденное состояние. Долго находиться в нем он не любит и вскоре «успокаивается», сбрасывая излишек энергии в виде кванта света — фотона. Этот процесс называется спонтанным излучением. Фотон рождается не в абсолютной пустоте: атом неразрывно взаимодействует с вездесущим квантовым электромагнитным полем, которое пронизывает всю Вселенную.
До сих пор при расчетах считалось, что гравитационные волны просто растягивают и сжимают физическое расстояние между объектами. Но исследователи обратили внимание на одну упущенную деталь: гравитационная волна также возмущает само квантовое электромагнитное поле, незаметно меняя фоновые условия, в которых атом рождает свой свет.
Математические выкладки команды показали крайне любопытный эффект. Прохождение гравитационной волны не заставляет атом светиться ярче или тусклее — общая интенсивность спонтанного излучения остается абсолютно неизменной. Именно поэтому теоретики так долго не замечали этого явления в своих уравнениях. Однако волна оставляет свой отпечаток на частоте испускаемого света в зависимости от того, в какую сторону летит фотон.
Грубо говоря, возбужденный атом работает как крошечный камертон, транслирующий идеальную ноту. Если сквозь него проходит гравитационная волна, эта нота начинает звучать чуть выше или чуть ниже в зависимости от того, под каким углом вы ее «слушаете». Этот направленный сдвиг частот и есть спектральная подпись гравитационной волны, которая кодирует информацию о том, откуда пришла рябь и как она поляризована.
Расчеты на основе квантовой информации Фишера показывают, что эффект принципиально измерим. Облако холодных атомов размером в пару миллиметров — вроде тех, что уже используются в передовых атомных часах — технически способно зафиксировать эти микроскопические частотные сдвиги. Но на практике инженерам предстоит продраться сквозь чудовищный уровень шума. Тепловые колебания, случайные электромагнитные наводки и даже микросейсмическая активность планеты будут яростно забивать этот крошечный полезный сигнал. Потребуется скрупулезный анализ помех и колоссальная работа по изоляции установки, прежде чем физики получат хотя бы черновой рабочий прототип.
Но игра определенно стоит свеч. Современные гигантские интерферометры отлично справляются с высокочастотными гравитационными волнами, но остаются совершенно глухими к низкочастотным колебаниям пространства-времени. Последние порождаются, например, медленным сближением сверхмассивных черных дыр. Чтобы ловить такие растянутые волны, прямо сейчас планируются запуски космических обсерваторий стоимостью в миллиарды долларов, где лазерные детекторы будут разнесены на миллионы километров друг от друга. Компактные атомные сенсоры могли бы взять часть этой работы на себя, распознавая низкочастотные гравитационные возмущения прямо здесь, на Земле, в масштабах обычного лабораторного стола.
Ценность этой работы выходит далеко за рамки прикладной инженерии. Общая теория относительности, описывающая гравитацию и огромные массы, десятилетиями категорически отказывается объединяться с квантовой механикой, правящей в мире субатомных частиц. Любые физические сценарии, где обе эти фундаментальные теории пересекаются и работают одновременно, расцениваются научным сообществом как Святой Грааль. И новое исследование предлагает именно такой мост.
Осознание того, что колоссальный катаклизм космического масштаба способен напрямую вмешиваться в интимный квантовый процесс испускания света одиночным атомом, завораживает. Это еще одно изящное напоминание о том, насколько глубоко и неразрывно сплетена материя в нашей Вселенной.
Читайте также: «Оптимизирующий механизм»: физик утверждает, что гравитация доказывает, что наша Вселенная это симуляция
Поддержать нас на Boosty
Поддержать нас на Дзен
Комментировать можно ниже в разделе “Добавить комментарий”.
