Физики десятилетиями пытаются понять, как совместить две фундаментальные теории — квантовую механику и общую теорию относительности. Первая объясняет поведение элементарных частиц, а вторая описывает, как материя искривляет пространство и время. Каждая из них прекрасно работает по отдельности, но при попытке объединения все рушится.

Проблема в том, что эти две фундаментальные теории «говорят на разных языках». Чтобы разрешить конфликт, большинство ученых полагают, что гравитация должна иметь квантовую природу, как и другие фундаментальные силы — электромагнитное, сильное и слабое взаимодействия. Их переносят частицы-переносчики: фотоны, глюоны и так далее. По аналогии, переносчиком гравитационного взаимодействия должен быть гравитон — гипотетическая безмассовая элементарная частица.

Однако все попытки обнаружить гравитон или доказать, что гравитационное поле ведет себя как квантовый объект (например, способно находиться в суперпозиции), пока не увенчались успехом. Это заставляет некоторых теоретиков искать альтернативные пути. Один из самых популярных современных подходов — экспериментальная проверка косвенных признаков. 

Если два микроскопических объекта, взаимодействующих только через гравитацию, смогут проявить свойство квантовой запутанности, это станет железным доказательством квантовости гравитации. Запутанность — квантовое явление, при котором происходящее с одной частицей в запутанной паре, определяет то, что происходит с другой, даже если они находятся слишком далеко, чтобы влиять друг на друга. 

Суть квантовой запутанности в том, что измерение параметра одной частицы мгновенно дает корреляцию с результатом измерения другой; при этом это не означает возможность передачи информации быстрее скорости света. Это чисто квантовый эффект, невозможный в классической физике. 

До недавнего времени считалось, что если гравитация может вызывать запутанность, то это однозначно доказывает ее квантовую природу. Сегодня именно эту гипотезу пытаются проверить с помощью десятков экспериментов по всему миру.

Квантовая энтропия, вероятно, зависит от наблюдателя

Физики обнаружили, что хаос внутри квантовых объектов зависит не только от законов природы, но и от того, кто за ними наблюдает. Оказалось, что энтропия — мера беспорядка — меняется в зависимости от того, как наблюдатель движется в искривленном пространстве-времени. Этот результат не только ставит под сомнение привычные законы термодинамики, но и предлагает неожиданный мост между квантовой механикой и теорией относительности Эйнштейна.

Британские физики Ричард Хоул (Richard Howl) и Джозеф Азиз (Joseph Aziz) из Лондонского университета предположили, что гравитация, скорее всего, ведет себя гораздо сложнее, чем считалось ранее. Их математические расчеты показали, что квантовые эффекты могут возникать даже в поле, которое само по себе не квантовое.

Ученые начали с обычного, «классического» понимания гравитации — того самого, по которому Земля тянет к себе яблоко, а Солнце удерживает планеты. Это поле можно представить как карту сил притяжения: в каждой точке пространства оно показывает, насколько сильно тела тянут друг друга.

Но это поле — не квантовое. А значит, оно не умеет делать то, что умеют объекты в квантовом мире: находиться сразу в нескольких состояниях. Например, квантовая частица может быть «и тут, и там» одновременно, а классическое поле — нет, оно всегда только в одном состоянии.

Из-за этого казалось, что через такую «обычную» гравитацию невозможно создать квантовую запутанность — ведь для нее нужно именно квантовое поведение.

Статья по теме: Физики предложили пересмотреть концепцию «пространства-времени»

Когда Хоул и Азиз включили это классическое поле в уравнения, которые обычно применяют для расчетов в квантовой физике, то есть как будто попытались посмотреть на привычную гравитацию глазами квантовой теории, ученые, по их словам, получили неожиданный результат. 

Оказалось, что даже в таком классическом поле может происходить нечто странное: при взаимодействии двух тел гравитационное поле может вызывать эффект, создающий между ними квантовую запутанность. Проще говоря, гравитация, которую считали полностью обычной и «неквантовой», каким-то образом все равно создает квантовую связь между телами. Это стало неожиданностью, потому что раньше думали, что для запутанности обязательно нужна квантовая природа самой гравитации.

Авторы описывают процесс как обмен виртуальными частицами или квантовыми флуктуациями — условным математическим представлением взаимодействия, а не фиксацией реальных уловимых частиц. 

Хоул объяснил, что эффект запутанности появляется потому, что два объекта как будто обмениваются между собой «виртуальной материей» — чем-то вроде невидимых частиц, которые вспыхивают на мгновение и тут же исчезают. Эти частицы нельзя поймать или измерить, но они влияют на то, как объекты притягиваются друг к другу.

Физики отследили одиночный электрон за рекордное время

Обычный ток в проводнике течет миллиардами электронов. Но что если научиться управлять каждым из них по отдельности? Британские физики приблизились к этой задаче, поймав одиночный электрон за ничтожные триллионные доли секунды. Их эксперимент обещает изменить будущее электроники.

Похожее происходит в электромагнитном взаимодействии: там частицы тоже «общаются» через обмен виртуальными фотонами — частицами света, которые невозможно увидеть. Они действуют так, будто были настоящими, хотя на самом деле существуют лишь как математический эффект.

Разница в том, что электромагнитное поле уже признано квантовым, а в расчетах Хоула и Азиза гравитация остается классической. И все же она каким-то образом тоже способна вести себя так, будто участвует в квантовой игре.

Так может ли гравитация быть и квантовой, и нет одновременно? Авторы научной работы полагают, что вопрос не имеет простого ответа. Поле может оставаться классическим, но при этом не исключать квантовых явлений.

Австрийский физик Маркус Аспельмайер (Markus Aspelmeyer) из Венского университета отметил, что результаты Хоула и Азиза добавляют важную деталь в интерпретацию будущих экспериментов по поиску квантовой гравитации. По его словам, если исследователи обнаружат запутанность между частицами, взаимодействующими через гравитацию, это еще не будет окончательным доказательством квантовой природы самой гравитации. Возможно, в определенных условиях появление запутанности объясняется другим механизмом, не связанным с гравитонами.

Статья по теме: Холодные атомы не поддались энтропии и отказались нагреваться

По расчетам исследователей, новый эффект проявляется сильнее у объектов с массой, значительно превышающей ту, с которой работают современные эксперименты по поиску квантовой гравитации. По словам ученых, такого рода феномен не «помешает» текущим экспериментам, не создаст путаницы и не даст ложных сигналов, которые могли бы сбить исследователей с толку.

Авторы работы отметили, что раньше попытки проверить, как именно работает квантовая гравитация, казалась чем-то фантастическим — слишком сложным и недоступным. Но теперь технологии и методы развились настолько, что впервые за всю историю физики такие опыты реально можно провести.

Ученые считают, что уже в течение ближайших 10 лет физики смогут получить настоящие измерения, а не просто теоретические догадки. Кроме того, сам интерес к этим экспериментам заставит исследователей пересмотреть основы гравитации — то, как они вообще понимают и объясняют взаимодействие гравитации и квантового мира.

Научная работа опубликована в журнале Nature.