Многие физики считали это невозможным.
Группа исследователей предложила эксперимент, который позволит наконец-то заглянуть в мир неуловимого “гравитона”, если он действительно существует.
Мы можем довольно легко наблюдать эффекты гравитации, просто взглянув на движение звезд и планет через телескоп. А если вам лень устанавливать телескоп, то достаточно просто толкнуть его и посмотреть, как он падает на землю.
Но увидеть сам механизм, лежащий в основе этого явления, немного сложнее, и это вызывает у физиков головную боль уже несколько сотен лет. Основная проблема на данный момент заключается в том, что гравитация, в отличие от других сил, избегает квантования. Хотя звучит сложно, на самом деле это означает, что мы можем видеть эффекты гравитации в большом, макромире (например, как звезды влияют на планеты или как большие объекты влияют на другие большие объекты), но не на микроуровне частиц.
Другие силы, такие как слабое и сильное взаимодействие, имеют связанные частицы, которые, как мы знаем, являются их переносчиками. Слабое взаимодействие осуществляется W- и Z-бозонами, а сильное взаимодействие – глюонами. Естественно, это привело некоторых физиков к мысли, что гравитация, если ее можно квантовать, должна иметь свою собственную частицу-переносчик, которую назвали “гравитоном”.
Хотя мы никогда не видели гравитон, у физиков есть некоторые предположения о том, где его можно найти. Например, он, вероятно, не имеет массы, учитывая, что гравитация и гравитационные волны распространяются со скоростью света (или со скоростью, с которой должны двигаться все безмассовые частицы, если вы не будете сильно вмешиваться в их движение).
Хотя детекторы гравитационных волн подтвердили существование гравитационных волн и многого другого, увидеть отдельные гравитоны гораздо сложнее.
“Это фундаментальный эксперимент, который долгое время считался невозможным, но мы думаем, что нашли способ его провести”, – объясняет Игорь Пиковский, профессор физики в Технологическом институте Стивенса. Установка эксперимента, хотя оборудование должно быть чрезвычайно чувствительным, на удивление проста и использует акустический резонатор и методы детектирования энергетических состояний, известные как “квантовое зондирование”.
“Наше решение похоже на фотоэлектрический эффект, который привел Эйнштейна к квантовой теории света”, – объясняет Пиковский, – “только гравитационные волны заменяют электромагнитные волны. Ключевым моментом является то, что энергия обменивается между материалом и волнами только дискретными шагами – поглощаются и испускаются отдельные гравитоны”.
В эксперименте массивный цилиндр из алюминия будет охлажден до своего самого низкого квантового состояния. Когда через него пройдет гравитационная волна от крупного астрономического события, такого как слияние черных дыр, цилиндр должен деформироваться. Измеряя вибрацию цилиндра, команда считает, что можно будет увидеть мельчайшие изменения энергии при поглощении гравитонов.
“Наблюдая эти квантовые скачки в материале, мы можем сделать вывод, что гравитон был поглощен”, – добавляет Жермен Тобар, аспирант Стокгольмского университета, участвовавший в исследовании. – “Мы называем это “гравитофонным эффектом””.
Хотя это многообещающая идея для поиска гравитона, к сожалению, мы еще не достигли этой цели.
“Квантовые скачки наблюдались в материалах недавно, но пока не при тех массах, которые нам нужны”, – объясняет Тобар. – “Но технологии развиваются очень быстро, и у нас есть новые идеи, как сделать это проще”.
Возможно, в скором времени мы сможем найти неуловимый гравитон, а может быть, исключить его существование или установить ограничения на его свойства.
Исследование опубликовано в журнале Nature Communications.
Читайте также: Если у света нет массы, то почему на него действует гравитация?
