Експеримент, який щойно отримав фінансування Європейської дослідницької ради, може стати першим прямим доказом того, що сам простір має структуру — і ця структура квантова
Більше ста років фізика існує з тихою суперечністю в своїй основі. Загальна теорія відносності Ейнштейна описує всесвіт в космічних масштабах з вражаючою точністю — рух планет, викривлення світла, брижі простору-часу від зіткнення чорних дір. Квантова механіка робить те саме на найдрібніших масштабах — поведінка частинок, структура атомів, природа світла. Обидві теорії працюють. Жодна з них не помиляється. І тим не менш вони фундаментально несумісні. Їх об'єднання вважається однією з найбільших невирішених задач в науці. Це може ось-ось змінитися.
Пару тижнів тому Кардіффський університет оголосив, що професор Хартмут Гроте з інституту вивчення гравітації отримав великий грант європейської дослідницької ради на проведення проривного експерименту з єдиною метою: знайти перше пряме експериментальне свідчення квантової гравітації. Ідея, що лежить в основі проєкту, настільки ж елегантна, наскільки й радикальна. Простір-час — тканина всесвіту — може бути не гладким і неперервним, яким його уявляв Ейнштейн. Він може бути зернистим, піксельним. Побудованим з дискретних квантових одиниць у масштабі настільки малому, що він ніколи не вимірювався напряму: довжина Планка — відстань приблизно на двадцять порядків менша за протон. Це не пікселі, які можна побачити. Але за правильних умов теорія передбачає, що вони створюють своєрідну квантову розмитість — ледь відчутне тремтіння в положеннях навколишніх нас об'єктів.
Команда професора Гроте планує виявити саме це тремтіння. Використовуючи настільний лазерний інтерферометр — прилад настільки точний, що він здатний вимірювати зміни довжини менше мільярдної частки атома, — вони об'єднають дві передові квантові технології, ніколи раніше не використовувані разом: стиснене світло, що знижує квантовий шум у лазерних вимірюваннях за межі класичних обмежень, та однофотонне виявлення, що забезпечує безпрецедентну точність при майже нульовому рівні шуму. Експеримент, названий Single Photon Detection Interferometry for Quantum Gravity, напряму спирається на технології, розроблені для LIGO та Virgo — детекторів гравітаційних хвиль, які вже довели здатність вловлювати найменшу брижі в просторі-часі від зіткнення чорних дір у мільярдах світлових років від нас.
«Підтвердження квантових сигнатур простору-часу стало б епохальним досягненням. Це змінило б наше уявлення про реальність на найфундаментальнішому рівні і відкрило б абсолютно нові напрямки для наукового дослідження. Через понад століття після того, як Ейнштейн змінив наше розуміння простору і часу, цей проєкт може наблизити нас на один крок до завершення розпочатої ним картини. Думаю, він був би в захваті», — говорить професор Хартмут Гроте з Кардіффського університету.
Якщо експеримент увінчається успіхом, наслідки вийдуть далеко за межі одного відкриття. Квантований простір-час підтвердить, що всесвіт складається не з гладких полів та неперервної геометрії — а з чогось, що нагадує інформацію: дискретного, лічильного, фундаментально квантового. Це підтвердить теоретичні концепції, що тихо формувалися протягом десятиліть — від голографічного принципу до ідеї про те, що геометрія простору-часу виникає з квантової заплутаності. Це означатиме, що те, що ми називаємо фізичною реальністю — простір, час, матерія — не є основою всесвіту. Це те, як квантова інформація всесвіту виглядає з нашої точки зору. Як бонус, той самий експеримент може виявити сліди темної матерії та первинних гравітаційних хвиль, відлуння найперших миттєвостей існування всесвіту. Наука, як висловлюється професор Гроте, не завжди оголошує про себе голосно. Іноді вона приходить як ледь відчутне тремтіння лазерного променя на лабораторному столі.
