Квантовая гравитация с холодным зеркалом 11.06.2025

Вопрос о том, как именно гравитация проявляется на квантовом уровне, долгое время оставался одной из самых больших загадок современной физики. Несмотря на успехи в квантовой механике и теории относительности, ученым до сих пор не удалось разработать полноценную квантовую теорию гравитации. Для этого необходимо понять, ведет ли себя гравитация как классическая сила или же подчиняется законам квантовой физики. В недавнем эксперименте исследователи из Массачусетского технологического института (MIT) сделали важный шаг в этом направлении, охладив крошечный механический маятник до почти абсолютного нуля и изучив его поведение с невиданной точностью.

Дончел Шин, исследователь из MIT, поясняет, что на сегодняшний день нет четкого способа проверить квантовую природу гравитации в лаборатории. Главной задачей является создание таких механических систем, которые одновременно достаточно массивны, чтобы ощутить влияние гравитации, и достаточно "квантовы", то есть лишены классического шума, чтобы проявить квантовые эффекты. В их эксперименте именно такой маятник - крутильный осциллятор - был охлажден с помощью лазеров до температуры около 10 милликельвинов, что составляет всего минус 273,14 градуса Цельсия.

Этот крутильный маятник, размером не более сантиметра, является классическим инструментом в изучении гравитации - подобные механизмы использовались еще в знаменитом эксперименте Кавендиша в XVIII веке для измерения гравитационной постоянной. Теперь, применяя методы лазерного охлаждения, изначально разработанные для управления атомами, ученые пытаются объединить классическую механику с квантовыми законами. Использование лазеров позволило максимально снизить тепловое движение маятника, приблизив его к квантовому состоянию, где проявляются самые тонкие эффекты.

Особенность эксперимента заключается в использовании зеркального оптического рычага - метода, когда лазерный луч направляется на зеркало, закрепленное на маятнике. Малейшие наклоны зеркала вызывают смещение отраженного луча, что фиксируется детектором и позволяет измерять крошечные угловые движения с чрезвычайной точностью. Однако исследователям пришлось бороться с шумами, вызванными дрожанием самого лазерного луча из-за внешних факторов, таких как воздушные потоки или вибрации оборудования.

Для решения этой проблемы команда MIT применила метод с двумя лазерными лучами: один взаимодействует непосредственно с маятником, а второй отражается от дополнительного зеркала, фиксируя и устраняя нежелательные колебания. Благодаря этой технологии удалось снизить уровень шума в тысячу раз, что позволило выявлять движения маятника с точностью почти в десять раз превышающей собственные квантовые флуктуации системы. Таким образом ученым удалось достичь уровня измерений, близкого к фундаментальному квантовому пределу, хотя фактическое достижение основного квантового состояния маятника остается задачей для будущих исследований.

Следующим этапом работы станет усиление оптического взаимодействия, в частности, с помощью создания оптического резонатора, который будет усиливать угловые сигналы, а также использования методов оптического захвата. Эти инновации могут открыть путь к более сложным экспериментам, в которых два крутильных маятника будут взаимодействовать исключительно через гравитацию. Такие исследования позволят впервые в лабораторных условиях проверить, является ли гравитация квантовой силой.

Эксперимент ученых из MIT знаменует собой значительный прогресс в попытках объединить квантовую механику и гравитацию - две фундаментальные теории, которые до сих пор плохо согласуются между собой. Точные измерения с холодным крутильным маятником приближают нас к пониманию природы гравитации на самом глубоком уровне и могут стать ключом к построению единой теории всего - долгожданной мечты физиков всего мира.