У нас есть все причины полагать, что гравитация является по своей сути квантовой теорией. Но как нам доказать это раз и навсегда? Об этом рассказывает доктор Сабина Носсенфельдер, физик-теоретик, специалист по квантовой гравитации и физике высоких энергий. Далее от первого лица.
Если у вас хорошее зрение, мельчайшие объекты, которые вы сможете разглядеть, будут примерно в одну десятую миллиметра: шириной примерно с человеческий волос. Добавьте технологий, и мельчайшая структура, которую мы смогли измерить к нынешнему моменту, была приблизительно 10-19 метра, такова длина волны протонов, сталкивающихся на БАК. Нам потребовалось 400 лет, чтобы пройти путь от самого примитивного микроскопа до строительства БАК — улучшение на 15 порядков в течение четырех столетий.
Квантовые эффекты гравитации, согласно оценкам, становятся актуальными на масштабах расстояний приблизительно в 10-35 метра, известных как длина Планка. Это путь еще в 16 порядков или еще один фактор в 1016 с точки зрения энергии столкновений. Это заставляет задуматься, возможно ли это вообще или все усилия в попытке найти квантовую теорию гравитации навсегда останутся досужими вымыслами.
Я оптимистка. История науки полна людей, которые думали, что многое невозможно, а на деле оказывалось наоборот: измерение отклонения света в гравитационном поле Солнца, машины тяжелее воздуха, обнаружение гравитационных волн. Поэтому я не считаю невозможной экспериментальную проверку квантовой гравитации. Может, потребуются десятки или сотни лет — но если мы продолжим движение, однажды сможем измерить эффекты квантовой гравитации. Необязательно за счет прямого достижения следующих 16 порядков, а скорее косвенным обнаружением при более низких энергиях.
Но из ничего рождается ничего. Если мы не будем думать о том, как могут проявляться эффекты квантовой гравитации и где они могут показаться, мы определенно никогда их не найдем. Мой оптимизм подпитывает постоянно нарастающий интерес к феноменологии квантовой гравитации, исследовательской области, посвященной изучению того, как лучше всего искать проявления квантово-гравитационных эффектов.
Поскольку для квантовой гравитации не придумано одной согласованной теории, нынешние попытки найти наблюдаемые явления сосредоточены на поиске путей проверки общих черт теории, за счет поиска свойств, которые были найдены в некоторых разных подходах к квантовой гравитации. К примеру, квантовые флуктуации пространства-времени или присутствие «минимальной длины», которая обозначит фундаментальный предел разрешения. Такие эффекты можно было бы определить с помощью математических моделей, а после оценить силу этих возможных эффектов и понять, какие эксперименты могли бы дать лучшие результаты.
Проверка квантовой гравитации долгое время считается вне зоны досягаемости экспериментов, если судить по оценкам, нам нужен коллайдер размером с Млечный Путь, чтобы разогнать протоны достаточно, чтобы произвести измеримое количество гравитонов (квантов гравитационного поля), либо понадобится детектор размером с Юпитер, чтобы измерить гравитоны, которые рождаются повсюду. Не невозможно, но уж явно не то, чего стоит ждать в ближайшее время.
Такие аргументы, впрочем, касаются лишь прямого обнаружения гравитонов, а это не единственное проявления эффектов квантовой гравитации. Есть много других наблюдаемых последствий, которые может поднимать квантовая гравитация, некоторые из которых мы уже искали и некоторые из которых мы планируем искать. Пока наши результаты сугубо отрицательные. Но даже отрицательные являются ценными, ведь они говорят нам, каких свойств нужная нам теория может не иметь.
Одним из проверяемых следствий квантовой гравитации, к примеру, может быть нарушение симметрии, фундаментальной для специальной и общей теории относительности, известной как Лоренц-инвариантность. Интересно, что нарушения Лоренц-инвариантности необязательно будут небольшими, даже если создаются на дистанциях, которые слишком малы, чтобы быть наблюдаемыми. Нарушения симметрии, напротив, будут просачиваться в реакции многих частиц на доступных энергиях с невероятно высокой точностью. Никаких доказательств нарушений Лоренц-инвариантности пока не было обнаружено. Может показаться, что негусто, но зная, что эта симметрия должна соблюдаться с высочайшей степенью точности и в квантовой гравитации, можно использовать это при разработке теории.
Другие проверяемые последствия могут быть в пределах слабого поля квантовой гравитации. В ранней Вселенной квантовые флуктуации пространства-времени должны были привести к температурным флуктуациям, возникающим в веществе. Эти температурные флуктуации наблюдаются и сегодня, будучи отпечатанными в реликтовом излучении (CMB). Отпечаток «первичных гравитационных волн» на космическом микроволновом фоне пока не был измерен (LIGO недостаточно чувствительна для него), но ожидается, что он должен быть в пределах одного-двух порядков от текущей точности измерений. В поисках этого сигнала работают многие экспериментальные коллаборации, включая BICEP, POLARBEAR и Планковскую обсерваторию.
Другой способ проверить предел слабого поля квантовой гравитации — это попытки ввести крупные объекты в квантовую суперпозицию: объекты, которые намного тяжелее элементарных частиц. Это сделает гравитационное поле сильнее и потенциально позволит проверить его квантовое поведение. Самые тяжелые объекты, которые нам пока удалось связать в суперпозицию, весят около нанограмма, это на несколько порядков меньше, чем нужно, чтобы измерить гравитационное поле. Но недавно группа ученых в Вене предложила экспериментальную схему, которая позволила бы нам измерить гравитационное поле куда точнее, чем прежде. Мы медленно приближаемся к квантово-гравитационному диапазону.
(Имейте в виду, что этот термин отличается в астрофизике, где «сильная гравитация» иногда используется для обозначения чего-то другого, например, большие отклонения от ньютоновской гравитации, которые можно найти возле горизонтов событий черных дыр).
Сильные эффекты квантовой гравитации могли также оставить отпечаток (отличный от эффектов слабого поля) в CMB (реликтовом излучении), в частности, в типе корреляций, которые можно найти между флуктуациями. Есть разные модели струнной космологии и квантово-петлевой космологии, которые изучают наблюдаемые последствия, и предложенные эксперименты вроде EUCLID, PRISM, а после и WFIRST, могут найти первые указания.
Есть еще одна интересная идея, основанная на недавней теоретической находке, согласно которой гравитационный коллапс материи может не всегда образовывать черную дыру — вся система избежит формирования горизонта. Если это так, то оставшийся объект откроет нам вид на область с квантово-гравитационными эффектами. Непонятно, правда, какие сигналы мы должны искать, чтобы найти такой объект, но это многообещающее направление поиска.
Идей правда много. Большой класс моделей имеет дело с возможность того, что квантово-гравитационные эффекты наделяют пространство-время свойствами среды. Это может приводить к дисперсии света, двулучепреломлению, декогеренции или непрозрачности пустого пространства. Обо всем сразу не скажешь. Но, без сомнения, проделать предстоит еще очень много. Поиск доказательства того, что гравитация действительно является квантовой силой, уже начался.
Когда мы сможем проверить квантовую гравитацию?
Илья Хель
