Квантовая связь между удалёнными объектами

Автор: Pixabay/CC0 Public Domain

Галактики, планеты, черные дыры: для большинства людей все в нашей Вселенной звучит и ощущается огромным. Но хотя верно, что многое из того, что происходит в миллионах световых лет отсюда, является большим, есть также процессы, происходящие на квантовом конце шкалы. Это раздел науки, который объясняет, как природа работает в очень малых масштабах — меньших, чем атомы. На этом уровне вещи ведут себя удивительным образом.

Что такое гравитационные волны?

Проще говоря, они похожи на крошечные ряби в пространстве, похожие на волны, которые вы видите, когда плещется вода. Они возникают, когда действительно тяжелые объекты в космосе, такие как звезды или черные дыры, движутся или сталкиваются друг с другом. Затем эти ряби распространяются по пространству и переносят энергию.

Они также гораздо больше, чем это: они являются методом коммуникации. Они несут информацию о масштабных космических событиях, помогая ученым «слушать» космос таким образом, который был невозможен до подтверждения их существования.

В 1916 году легендарный физик-теоретик Альберт Эйнштейн опубликовал новаторскую работу, в которой изложил свою общую теорию относительности. Он описал гравитацию не как силу, а как искривление пространства и времени, вызванное массивными объектами. Это искривление влияет на движение объектов, подобно тому, как тяжелый мяч, помещенный на натянутую резиновую пластину, 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, когда эти массивные объекты движутся или сталкиваются.

Потребовалось почти 100 лет, чтобы гипотеза Эйнштейна о гравитационных волнах была подтверждена. Именно тогда Лазерная интерферометрическая гравитационно-волновая обсерватория (LIGO) в США впервые обнаружила эти волны. Потребовалось так много времени, потому что, несмотря на то, насколько огромными они кажутся, гравитационные волны малы: они растягивают или сжимают пространство в 1000 раз меньше размера атома. Для их обнаружения требовались специальные инструменты, и передовая технология LIGO справилась с этой задачей.

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

«Квант» — это раздел науки, который объясняет, как природа работает в очень малых масштабах — меньших, чем атомы. На этом уровне вещи ведут себя удивительным образом.

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

Хорошим примером являются фотоны. Это частицы света, и ученые доказали, что они ведут себя «квантовыми» способами, например, способны существовать в суперпозиции или запутываться друг с другом.

Запутанность — это своего рода связь, но она гораздо глубже, чем простая связь. Когда два объекта запутаны, они разделяют нечто, называемое квантовым состоянием. Это описывает все о частице или системе. Это как чертеж, но вместо фиксированных деталей он дает возможность найти частицу в разных условиях, таких как ее положение или скорость.

Когда два объекта разделяют квантовое состояние, их поведение становится таинственно связанным. Если вы измеряете один объект, состояние другого немедленно подстроится, чтобы соответствовать, независимо от того, насколько далеко они находятся друг от друга. Это то, что делает запутанность такой особенной и непохожей на все, что мы видим в повседневном мире.

Что выявило ваше исследование?

Мы предположили, что гравитационные волны могут иметь как классические, так и квантовые свойства. Те, которые были обнаружены LIGO до сих пор, следуют классическому поведению, соответствуя общей теории относительности Эйнштейна.

Но текущие детекторы LIGO недостаточно чувствительны, чтобы обнаружить квантовые эффекты, и не было способа узнать, верна ли наша гипотеза. Поэтому мы смоделировали детектор, похожий на последнее поколение LIGO, в котором зеркала прикреплены к рычагам, которые могут двигаться и вибрировать.

Классические гравитационные волны заставляют зеркала двигаться определенным образом, но в нашем исследовании квантовые гравитационные волны — крошечные ряби, вызванные частицами, называемыми «гравитонами» — по-разному влияли на зеркала. Они могут запутать моды колебаний зеркал: части движения движутся вместе способами, которые классические волны создать не могут.

Чтобы визуализировать это, представьте себе два колокольчика, далеко друг от друга, синхронно качающихся из-за невидимого ветерка. Здесь квантовые гравитационные волны подобны этому бризу. Они заставляют удаленные объекты двигаться вместе таким образом, который классические гравитационные волны не могут.

Это говорит о том, что в очень малых масштабах гравитационные волны могут демонстрировать квантовые особенности, такие как запутанность, которые нельзя объяснить классически. Мы не предполагаем, что все гравитационные волны являются квантовыми. Однако это не означает, что все гравитационные волны имеют квантовую природу. Вместо этого, те, которые возникли в ранней Вселенной, примерно 13,8 миллиарда лет назад, могут нести квантовые сигнатуры. Эти типы гравитационных волн могут кодировать информацию о ранней Вселенной, особенно около времени Большого взрыва, и о том, как они могли измениться с течением времени.

Почему это важный вывод?

Подтверждение квантовой природы гравитационных волн связывает теорию относительности Эйнштейна с квантовой механикой, решая загадку, которая десятилетиями беспокоила физику: сложность согласования принципов общей теории относительности, описывающей гравитацию в больших масштабах, с законами квантовой механики, которые управляют поведением частиц в мельчайших масштабах.

Этот прорыв может произвести революцию в нашем понимании Вселенной. Квантовая природа гравитационных волн может помочь передовым датчикам обнаружить слабые космические сигналы и предоставить информацию о происхождении Вселенной, поведении черных дыр и структуре реальности. Хотя LIGO уже достигла большого прогресса в измерении гравитационных волн, исследование их квантовой стороны открывает новую область физики.

Важно отметить, что для проверки и воспроизведения наших результатов в различных экспериментальных условиях потребуются дополнительные исследования. Мы далеко не единственные, кто изучает эти явления, и мы надеемся, что наши результаты укрепят усилия южноафриканских институтов, таких как Национальный институт теоретических и вычислительных наук (NITheCS) и Исследовательская группа по астрофизике в Университете Стелленбоша, которые вносят вклад в астрофизику гравитационных волн посредством анализа данных, сотрудничества и теоретической работы.

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

Источник: The Conversation