Эйнштейн против Кванта: столетняя война теорий закончится в стакане с жидким гелием. Охота на гравитон открыта

Современная физика уже много лет живёт с серьёзным внутренним конфликтом. Квантовая механика объясняет устройство мира через отдельные частицы и их взаимодействия, а общая теория относительности Эйнштейна описывает гравитацию как плавное искривление пространства и времени. Чтобы совместить эти картины, нужно представить и саму гравитацию в виде квантов, которые переносят гипотетические частицы, гравитоны. Долгое время считалось, что обнаружить хотя бы один такой квант принципиально невозможно, поэтому квантовая гравитация оставалась исключительно теоретической задачей.

Перелом произошёл в 2024 году. Игорь Пиковски из Stevens Institute of Technology вместе с коллегами опубликовал работу, в которой показал, что детектировать гравитон всё же можно с помощью современных квантовых технологий. Вместо прямого поиска частицы авторы предложили зафиксировать её как единичный квант энергии, переданный гравитационной волной.

Идея выросла на пересечении двух крупных достижений последних лет. Первое связано с открытием гравитационных волн, колебаний пространства-времени, возникающих при слиянии чёрных дыр и нейтронных звёзд. Эти сигналы впервые зафиксировали в 2015 году, и сегодня их регистрируют регулярно. В квантовой интерпретации такие волны представляют собой поток огромного числа гравитонов, которые вместе выглядят как обычное непрерывное излучение.

Второй шаг вперёд пришёл из квантовой инженерии. За последнее десятилетие физики научились охлаждать и удерживать всё более массивные объекты в квантовых состояниях. В эксперименте 2022 года команда профессора Йельского университета Джека Харриса смогла измерять отдельные кванты колебаний в сверхтекучем гелии массой свыше нанограмма, что для квантовой физики уже считается макроскопическим масштабом.

Пиковски понял, что объединение этих возможностей открывает путь к регистрации одиночного гравитона. Проходящая гравитационная волна может передать ровно один квант энергии достаточно тяжёлой квантовой системе. Такой энергетический скачок чрезвычайно мал, но современные чувствительные установки способны его различить.

Главная сложность связана с тем, что гравитоны почти не взаимодействуют с веществом. Для микроскопических объектов вероятность поглощения стремится к нулю. Если же увеличить массу квантовой системы до граммового и даже килограммового уровня и дождаться мощных астрофизических волн от космических катастроф, шанс уловить отдельный квант становится реальным.

После публикации этих расчётов Пиковски и Харрис начали готовить первый эксперимент, напрямую ориентированный на поиск гравитонов. Проект поддерживает фонд W. M. Keck Foundation. Учёные создают сантиметровый резонатор из сверхтекучего гелия, который сможет поглощать единичные кванты гравитационной энергии.

Установка будет выглядеть как цилиндрический резонатор граммовой массы, помещённый в контейнер со сверхтекучим гелием и охлаждённый до основного квантового состояния. При прохождении гравитационной волны её квант энергии может перейти в фонон, элементарное колебание среды. Именно эти фононы исследователи собираются фиксировать лазерными измерениями высокой точности.

В основе детектора лежат технологии, которые уже работают в лаборатории Харриса, однако теперь их масштабируют без потери чувствительности. Если платформа подтвердит расчёты, она станет основой для следующего поколения приборов и приблизит прямое экспериментальное изучение квантовой природы гравитации.

Stevens Institute of Technology, где работает Пиковски, расположен в Хобокене, штат Нью Джерси. Основанный в 1870 году университет обучает более 8 тыс. студентов и развивает исследования на стыке инженерии и вычислительных наук.

Фонд W. M. Keck Foundation создан в 1954 году в Лос-Анджелесе Уильямом Майроном Кеком, основателем Superior Oil Company. Организация входит в число крупнейших благотворительных структур США, финансирующих передовые научные и инженерные проекты.