Учёный предложил эксперимент по управлению гравитационными волнами для изучения квантовой гравитации

Физик-теоретик Ральф Шютцхольд из Центра Гельмгольца в Дрезден-Россендорфе (HZDR) представил концепцию эксперимента, который позволит не только обнаруживать гравитационные волны, но и активно на них влиять. Идея, опубликованная в журнале Physical Review Letters, может помочь в исследовании квантовой природы гравитации.

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

«Гравитация влияет на всё, включая свет», — говорит Шютцхольд. Его предложение фокусируется на передаче крошечных количеств энергии от луча света проходящей гравитационной волне. При этом свет теряет немного энергии, а гравитационная волна получает ровно столько же. Эта энергия соответствует одному или нескольким гравитонам — гипотетическим частицам-переносчикам гравитационного взаимодействия, которые никогда не наблюдались напрямую. «Это сделало бы гравитационную волну чуть более интенсивной», — объясняет учёный. Одновременно световая волна испытает едва заметное изменение своей частоты.

Процесс может работать и в обратную сторону.

В этом сценарии гравитационная волна отдаёт пакет энергии световой волне. В принципе, можно измерить оба направления этого обмена, то есть наблюдать стимулированное поглощение и излучение гравитонов. Для этого потребуется огромная экспериментальная установка. По оценкам Шютцхольда, лазерные импульсы в видимом или ближнем инфракрасном диапазоне должны будут отражаться между двумя зеркалами до миллиона раз. При длине установки около километра такое многократное отражение создаст эффективный оптический путь примерно в миллион километров. Такого масштаба должно быть достаточно для обнаружения крошечных энергетических переносов при взаимодействии света с гравитационной волной.

Изменение частоты света, вызванное поглощением или выделением энергии одного или нескольких гравитонов, будет чрезвычайно малым. Тем не менее, Шютцхольд утверждает, что тщательно спроектированный интерферометр сможет его выявить. В таком устройстве две световые волны претерпевают немного разные изменения частоты в зависимости от того, получают они или теряют энергию. Пройдя длинный оптический путь, волны рекомбинируют и образуют интерференционную картину. Анализируя её, исследователи смогут определить, как сместилась частота света, и подтвердить обмен энергией с гравитационной волной.

От первоначальной идеи до эксперимента может пройти несколько десятилетий.

Однако учёный отмечает, что предложение имеет сходство с существующими технологиями, в частности с обсерваторией LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory), которая уже используется для обнаружения гравитационных волн. Интерферометр, созданный по концепции Шютцхольда, мог бы выйти за рамки простого обнаружения и впервые позволить учёным манипулировать гравитационными волнами через стимулированное поглощение и излучение гравитонов. Он также предполагает, что использование световых импульсов с запутанными фотонами может значительно повысить чувствительность инструмента. «Тогда мы могли бы даже делать выводы о квантовом состоянии самого гравитационного поля», — говорит физик. Хотя это не докажет напрямую существование гравитонов, но станет серьёзным подтверждающим свидетельством.