Учёные создали единую систему для поиска флуктуаций пространства-времени

Исследователи из Уорикского университета разработали первую единую систему для обнаружения «флуктуаций пространства-времени» — крошечных случайных искажений в ткани пространства-времени, которые возникают во многих попытках объединить квантовую физику и гравитацию.

Эти тонкие флуктуации, впервые предложенные физиком Джоном Уилером, как считается, естественным образом возникают в нескольких ведущих теориях квантовой гравитации. Однако, поскольку разные модели гравитации предсказывают разные формы этих флуктуаций, у экспериментальных групп до сих пор не было чётких указаний, что именно искать.

Как работает новая система

Новое исследование, опубликованное в Nature Communications, решает эту проблему, разделяя флуктуации пространства-времени на три широкие категории, каждая из которых определяется тем, насколько организованы флуктуации в пространстве и времени. Для каждой категории исследователи определили отличительные, измеримые сигнатуры, которые должны появляться в лазерных интерферометрах — от 4-километрового LIGO до компактных лабораторных систем, таких как QUEST и GQuEST, разрабатываемых в Великобритании (Кардиффский университет) и США (Калифорнийский технологический институт) соответственно.

Доктор Шармила Баламуруган, доцент Уорикского университета и первый автор статьи, заявила: «Разные модели гравитации предсказывают совершенно разные базовые тенденции в случайных флуктуациях пространства-времени, и это оставляло экспериментаторов без чёткой цели. Наша работа предоставляет первое единое руководство, которое переводит эти абстрактные теоретические предсказания в конкретные, измеримые сигналы.

Это означает, что теперь мы можем тестировать целый класс предсказаний квантовой гравитации с помощью существующих интерферометров, а не ждать совершенно новых технологий. Это важный шаг к тому, чтобы перенести некоторые из самых фундаментальных вопросов физики в область эксперимента.

Ключевые выводы

Исследование показало, что:

• Настольные интерферометры превосходят LIGO по ширине полосы. Несмотря на гораздо меньшие размеры, QUEST и GQuEST могут предоставить более детальную информацию о природе флуктуаций пространства-времени. Их широкое частотное покрытие позволяет обнаруживать все характерные сигнатуры.
• LIGO — отличный детектор «да/нет». Благодаря своим длинным плечам, LIGO обладает высокой чувствительностью к самому наличию флуктуаций пространства-времени — хотя соответствующие частоты лежат выше диапазона, доступного в настоящее время в открытых данных.
• Разрешён давний спор. Спор о том, помогают ли длинные плечи интерферометра обнаружению или мешают ему, получил ответ: здесь длинные плечи действительно повышают чувствительность интерферометра к флуктуациям пространства-времени, в зависимости от типа проверяемой флуктуации.

Доктор Сандер Вермёлен из Калтеха, соавтор исследования, сказал: «Интерферометры могут измерять пространство-время с необычайной точностью. Однако, чтобы измерить флуктуации пространства-времени с помощью интерферометра, нам нужно знать, где — то есть на какой частоте — искать и как будет выглядеть сигнал. С нашей системой мы теперь можем предсказывать это для широкого спектра теорий. Наши результаты показывают, что интерферометры являются мощными и универсальными инструментами в поисках квантовой гравитации».

Более широкие последствия и будущие направления

Ключевым моментом является то, что новая система не зависит от базового механизма возникновения флуктуаций: для её работы требуется только математическое описание гипотетических флуктуаций и геометрия инструмента. Это делает её мощным инструментом не только для тестов квантовой гравитации, но и для поиска стохастических гравитационных волн, сигнатур тёмной материи и определённых форм инструментального шума.

Профессор Анимеш Датта, профессор теоретической физики в Уорике, подытожил: «С помощью этой методологии мы теперь можем рассматривать любую предложенную модель флуктуаций пространства-времени последовательным, сопоставимым образом. В ближайшие годы мы сможем использовать это для разработки более совершенных настольных интерферометров, чтобы подтвердить или опровергнуть возможные теории квантовой или полуклассической гравитации и даже проверить новые идеи о тёмной материи и стохастических гравитационных волнах».