Физики предложили эксперимент по обмену энергией между светом и гравитационными волнами

Физик-теоретик Ральф Шютцхольд из Центра имени Гельмгольца в Дрездене-Россендорфе (HZDR) предложил эксперимент, который может не только наблюдать, но и манипулировать гравитационными волнами. Эта концепция, опубликованная в журнале Physical Review Letters, также может дать новые данные о квантовой природе гравитации.

Идея основана на взаимодействии световых и гравитационных волн. Согласно расчётам Шютцхольда, при их встрече могут происходить процессы, аналогичные стимулированному излучению и поглощению: световая волна может передавать крошечный пакет энергии гравитационной волне, или наоборот. Эта энергия эквивалентна энергии одного или нескольких гравитонов — гипотетических частиц-переносчиков гравитационного взаимодействия, существование которых ещё не доказано.

Схема интерферометрической установки для исследования света под влиянием гравитационной волны. Автор: B. Schröder/HZDR

Для измерения этого эффекта потребуется масштабная установка. Предполагается использовать лазерные импульсы видимого или ближнего инфракрасного диапазона, которые будут многократно (до миллиона раз) отражаться между зеркалами в системе длиной около километра. Это создаст эффективную оптическую длину пути около миллиона километров.

Ключевым элементом станет специально сконструированный интерферометр. В нём две световые волны, взаимодействуя с гравитационной волной, будут испытывать разные изменения частоты в зависимости от того, поглощают они или излучают гравитоны. После прохождения по длинному оптическому пути волны снова наложатся друг на друга, создав интерференционную картину. Её анализ позволит выявить сверхмалые изменения частоты и, следовательно, факт обмена гравитонами.

По словам учёного, использование запутанных фотонов в световых импульсах может значительно повысить чувствительность интерферометра. Это, в свою очередь, позволит сделать выводы о квантовом состоянии самого гравитационного поля. Хотя такой эксперимент не станет прямым доказательством существования гравитона, он может стать серьёзным аргументом в его пользу. И наоборот, отсутствие предсказанных интерференционных эффектов поставило бы под сомнение современную теорию, основанную на гравитонах.

Концепция Шютцхольда демонстрирует сходство с принципами работы обсерватории LIGO, которая уже успешно регистрирует гравитационные волны. Однако новая идея идёт дальше, предлагая не просто детектировать, а активно влиять на эти волны. Реализация такого эксперимента, по оценкам автора, может занять несколько десятилетий.