Чи можна емпірично виявити квантову гравітацію? Два фізики кажуть, що так. Тільки, однак, якщо при цьому у ролі дослідного пристрою використовувати увесь Всесвіт.
Квантова фізика постулює, що гравітаційну взаємодію передають елементарні частинки, що називаються гравітонами, аналогічно до того, як електромагнітну – фотони. Однак більшість фізиків скептично оцінюють можливість зареєструвати окремі гравітони (принаймні в осяжному майбутньому), адже вони взаємодіють з матерією надзвичайно слабо, і в людства поки немає інструментів, настільки чутливих, щоб зареєструвати гравітацію на квантовому рівні.
Деякі фізики, включно з одним із творців квантової електродинаміки Фріменом Дайсоном, який нині працює в Інституті перспективних досліджень Прінстонського університету, пішли навіть далі й проголосили, що створення детектору гравітонів з фізичного погляду взагалі неможливе. Як стверджує Дайсон, гіпотетичний метод детектування гравітаційних хвиль, прийнятий на сьогодні більшістю фізиків, у випадку з гравітонами не спрацює. Дехто вважає, що окремі гравітони можна виявити, відбиваючи світло від кількох дзеркал та спостерігаючи за їх крихітними відхиленнями. Однак, як доводить фізик, щоб зафіксувати ці відхилення за допомогою наявних у нас інструментів, ці дзеркала мали б бути настільки важкими, що під впливом власної маси сколапсували б у чорну діру.
Однак у статті, опублікованій 20 вересня на сервері arXiv, американські фізики Лоуренс Краус з Університету Аризони та Френк Вілчек з Массачусетського технологічного інституту, лауреат Нобелівського премії в галузі фізики за 2004 р., стверджують, що існування гравітонів та квантову природу гравітації можна довести за допомогою гіпотетичних, але ще недоведених властивостей раннього Всесвіту.
Згідно загальноприйнятої космологічної теорії, в перші частки секунди після Великого Вибуху Всесвіт різко розширився. Цей процес фізики називають інфляцією. З загальної теорії відносності А. Ейнштейна випливає, що інфляція мала б породити гравітаційні хвилі – коливання часу-простору, що б стискало його в одному напрямку та розширювало в іншому. Це, у свою чергу, вплинуло б на поляризацію космічного мікрохвильового фону (КМФ) – електромагнітного ехо, що залишилося після Великого Вибуху. За допомогою супутника «Планк» Європейського космічного агентства науковці стежать за КМФ, шукаючи у його поляризації слідів гравітаційних хвиль.
Вчені раніше вже припускали, що процес породження гравітаційних хвиль в перші миті після Великого вибуху мав квантово-механічну природу. Краус та Вільчек, довели, що гравітаційні хвилі математично пов’язані з розширенням часу-простору під час інфляції квадратом сталої Планка – числового коефіцієнта, який зустрічається лише в квантовій теорії. Це підтверджує, що гравітаційні хвилі мають квантову природу.
Якщо це дійсно так і у поляризації космічного мікрохвильового фону вдасться виявити сліди гравітаційних хвиль, то це «буде першим емпіричним доказом, що гравітація піддається квантуванню», - каже Краус.
Оскільки гравітаційні хвилі – це, в кінцевому підсумку, сукупність окремих гравітонів, вчені сподіваються спіймати сигнал окремого гравітона, посилений розширенням Всесвітом до такого ступеня, що його вдасться зафіксувати науковою апаратурою. «Увесь Всесвіт – це неначе наш експериментальний пристрій», - каже Вільчек.
Як прокоментував дослідження Крауса і Вільчека Алан Гут, космолог з Массачусетського технологічного інституту і автор теорії інфляції, їх основний внесок у тому, що вони допомогли прояснити, що гравітаційні хвилі породжені квантовими властивостями гравітаційного поля й не є лише побічним продуктом взаємодії гравітаційного поля з квантовими флуктуаціями інших полів. «Таким чином, якщо у поляризацій КМФ вдасться знайти сліди гравітаційних хвиль, то це буде переконливим доказом, що гравітація дійсно існує у вигляді квантів», - вважає Гут.
Результати Крауса та Вільчека виявилися непереконливими для Стівена Боуна, фізика-теоретика з Геферфордського коледжу у Пенсильванії, який був співавтором статті Ф. Дайсона про теоретичну неможливість фіксації гравітона. «Автори вказують, що математично гравітаційні хвилі пов’язані з інфляцією сталою Планка. Однак вони пов’язані і іншими параметрами. На мою думку, як теорія інфляції, так і теорія гравітаційних хвиль ще настільки недосконалі, а їх постулати - настільки загальні, що, якими б не були результати спостереження за КМФ, їх можна буде узгодити з будь-якими теоретичними засновками», - стверджує Боун.
Тим не менше, як образно висловився Френк Вільчек, «не зважаючи на увесь «шум і дим» довкола спроб примирити квантову механіку і гравітацію, «вогню» було ще дуже мало», й сліди гравітаційних хвиль у поляризації КМФ – це «змога побачити хоча б декілька іскор».
01.10.2013