Физик разработал эксперимент по управлению гравитационными волнами

Когда сливаются черные дыры или сталкиваются нейтронные звезды, рождаются гравитационные волны. Существование этой едва заметной ряби пространства-времени предсказал еще Альберт Эйнштейн, а наблюдения подтвердили ее только в 2015 году.

Физик-теоретик Ральф Шютцхольд из Центра Гельмгольца Дрезден-Россендорф предлагает пойти дальше. Он разработал эксперимент, которая позволит не только регистрировать гравитационные волны, но и воздействовать на них. Такой опыт, схема которого опубликована в Physical Review Letters, доказал бы наконец квантовую природу гравитации.

«Гравитация влияет на все, включая свет», — говорит Шютцхольд. И это взаимодействие происходит и тогда, когда встречаются гравитационная волна и световая.

Замысел ученого заключается в передаче крошечных порций энергии от световой волны — гравитационной. При этом энергия световой волны слегка уменьшается, а энергия гравитационной — на столько же возрастает. Эта энергия соответствует энергии одного или нескольких гравитонов — гипотетических переносчиков гравитационного взаимодействия.

«Гравитационная волна станет чуть более интенсивной», — поясняет профессор. Световая же волна теряет ровно такую же энергию, что приводит к ничтожному изменению ее частоты.

«Процесс может идти и в обратную сторону», — продолжает физик. В этом случае гравитационная волна отдает порцию энергии световой.

Оба эффекта — как стимулированное излучение, так и поглощение гравитонов — могут быть измерены, хотя и ценой огромных технических усилий.

Шютцхольд оценил масштабы такого эксперимента: возможно, потребуется до миллиона отражений лазерных импульсов видимого или ближнего инфракрасного диапазона между двумя зеркалами. При длине установки около километра это даст оптический путь порядка миллиона километров. Такой порядок величин достаточен, чтобы зафиксировать энергообмен, вызванный поглощением и испусканием гравитонов при встрече света с гравитационной волной.

Однако изменение частоты световой волны из-за поглощения или выделения энергии одного или нескольких гравитонов в присутствии гравитационной волны чрезвычайно мало. Тем не менее, с помощью продуманной конструкции интерферометра эти частотные сдвиги можно выявить.

В процессе два световых пучка приобретают разные изменения частоты — в зависимости от того, поглощают они гравитоны или испускают. После взаимодействия с гравитационной волной и прохождения по длинному оптическому пути пучки вновь сводятся и создают интерференционную картину. По ней можно восстановить величину частотного сдвига и, следовательно, факт передачи гравитонов.

«От первоначальной идеи до реализации иногда проходят десятилетия», — признает Шютцхольд.

Но в этом случае воплощение может приблизить обсерватория гравитационных волн LIGO — у нее много общего с предлагаемой схемой.

LIGO состоит из двух вакуумных труб длиной около четырех километров, расположенных в форме буквы L. Луч лазера разделяется на два плеча детектора. Проходящая гравитационная волна слегка искажает пространство-время, изменяя длину плеч на несколько аттометров (10⁻¹⁸ метра). Это крошечное изменение длины меняет интерференционную картину лазерного света, что и регистрируется как сигнал.

В интерферометре, построенном по идее Шютцхольда, можно будет не только наблюдать гравитационные волны, но и впервые активно воздействовать на них посредством стимулированного излучения и поглощения гравитонов. При этом, по словам ученого, использование световых импульсов с запутанными фотонами может значительно повысить чувствительность установки.

«Тогда мы сможем даже сделать выводы о квантовом состоянии самого гравитационного поля», — говорит Шютцхольд.

Это не станет прямым доказательством существования гипотетического гравитона — предмета жарких споров среди физиков, — но будет серьезным аргументом в его пользу.

Ведь если световые волны при взаимодействии с гравитационными не проявят предсказанных интерференционных эффектов, современная теория, основанная на гравитонах, будет опровергнута. Неудивительно, что концепция Шютцхольда по управлению гравитационными волнами уже вызвала живой интерес в научном сообществе.