Все частицы материи могут действовать как волны, а безмассовые световые волны демонстрируют поведение, подобное частицам. Могут ли гравитационные волны также быть похожими на частицы?
![Здесь показаны две чёрные дыры, каждая из которых имеет аккреционный диск, непосредственно перед их столкновением. В анонсе касаемо GW190521 сообщается об обнаружении чёрных дыр с самой большой массой из когда-либо найденных посредством гравитационных волн. Масса таких дыр впервые преодолела порог в 100 солнечных. Непосредственно до и после момента, когда две центральные сингулярности накладываются друг на друга и чёрные дыры сливаются, могут проявляться квантовые гравитационные эффекты](https://habrastorage.org/getpro/habr//post_images/7c8/198/dba/7c8198dba57d44f6e95d84866b248825.jpg)
Мир навсегда изменился в феврале 2016 года, когда коллаборация LIGO сделала революционное заявление, навсегда изменившее наше представление о Вселенной. На расстоянии более миллиарда световых лет от нас две массивные чёрные дыры, 36 и 29 солнечных масс, сблизились друг с другом по спирали и слились. В результате слияния образовалась единая чёрная дыра массой 62 солнечных массы, а оставшиеся 3 солнечные массы были преобразованы в чистую энергию по формуле Эйнштейна E = mc², распространяющуюся по Вселенной в виде гравитационных волн. Наконец-то никто не мог сомневаться в физической реальности гравитационных волн, включая факты о том:
как они возникают,
что они однозначно переносят энергию по всей Вселенной,
и что они распространяются с теоретически предсказанной скоростью — скоростью света в вакууме.
С тех пор к LIGO присоединились дополнительные детекторы гравитационных волн, такие как Virgo, количество обнаруженных объектов выросло до трёхзначного числа, и он стал свидетелем слияний нейтронных звёзд и чёрных дыр, причём диапазон масс обнаруженных объектов различается почти в ~100 раз. Реальность гравитационных волн теперь, несомненно, подтверждена, и процесс их наблюдения позволяет узнать невероятно много нового о нашей Вселенной. Но вся эта информация всё ещё лишь зондирует предсказания, вытекающие из нашей классической теории гравитации — общей теории относительности.
Если квантовая физика верна, то дуализм волна-частица тоже должен быть реальным, даже для гравитационных волн. Вот что это значит, и как мы можем однажды проверить это экспериментально.
![Эта диаграмма, восходящая к работам Томаса Янга в начале 1800-х годов, является одним из старейших рисунков, демонстрирующих конструктивную и деструктивную интерференцию, возникающую в результате действия источников волн, исходящих из двух точек: Это физически идентично эксперименту с двойной щелью, кроме того эта картина хорошо описывает и волны, распространяющиеся по резервуару. Места, обозначенные C, D, E и F, соответствуют 100-процентной деструктивной интерференции.](https://habrastorage.org/getpro/habr//post_images/4c9/eea/e5b/4c9eeae5ba22c504804785bfc4c23852.png)
Дуализм волны и частицы — одно из самых странных квантовых явлений, которые когда-либо были обнаружены. Независимые представления о волнах и частицах начинались довольно просто: материя состояла из частиц, таких как атомы и их составные части, а излучение — из волн. Вы можете сказать, что что-то является частицей, потому что эти частицы демонстрируют такое поведение, как столкновение и отталкивание от других частиц, иногда они слипаются и создают составные частицы, часто сталкивающиеся частицы обмениваются энергией и импульсом, иногда они могут создавать связанные состояния, которые приводят к испусканию других частиц, и так далее.
Точно так же можно определить, что что-то является волной — оно будет демонстрировать волнообразные явления, такие как дифракция и интерференция, как с другими волнами, так и с самим собой. Ньютон ошибался в отношении света, считая, что он состоит из частиц, но другие учёные, такие как Гюйгенс (его современник), а затем и учёные начала 1800-х годов, такие как Юнг, Френель и Араго, убедительно показали, что свет обладает свойствами, которые невозможно объяснить, не рассматривая его как волну.
Возможно, самое очевидное волнообразное явление — интерференция — возникает при прохождении света через двойную щель. Картина, появляющаяся на фоновом экране, показывает, что свет интерферирует как конструктивно (приводя к появлению ярких пятен), так и деструктивно (приводя к появлению тёмных пятен).
![Волновая картина для электронов, проходящих через двойную щель по одному за раз. Если вы измеряете, через какую именно щель проходит электрон, вы разрушаете квантовую интерференционную картину, показанную здесь. Однако волнообразное поведение сохраняется до тех пор, пока электроны имеют длину волны де Бройля, которая меньше размера щели, через которую они проходят. Такое волнообразное и частицеподобное поведение было продемонстрировано для электронов, фотонов и даже более крупных составных сущностей.](https://habrastorage.org/getpro/habr//post_images/92d/7a3/b57/92d7a3b57a887a47db1cd3a4e083efe1.jpg)
Такое явление, как интерференция, является уникальным продуктом волнообразного поведения. Эксперимент с двойной щелью и его последующие, более сложные аналоги установили, что свет — это волна. К концу XIX века было совершенно ясно, что некоторые вещи, например свет, звук и жидкости, обладают волнообразными свойствами, а другие — свойствами частиц.
Однако различие между этими двумя типами поведения стало ещё более запутанным в начале 1900-х годов, когда был открыт фотоэлектрический эффект. Когда вы светите светом на определённый материал, тот иногда «выбивает» электроны.
Однако детали работы фотоэлектрического эффекта показали, что выбивание электронов зависит не от суммарной энергии (или интенсивности) света, а от конкретных компонентов длины волны (или энергии) света. Если сделать свет, выбивающий электроны, краснее определённого порога (и, следовательно, ниже по энергии) — даже если сделать свет произвольно интенсивным, — он не выбьет ни одного электрона. Но если вы оставили свет, который был голубее того же определённого порога «ионизации» (это будет свет с более высокой энергией), даже если вы уменьшите его интенсивность, он всё равно будет выбивать электроны. Вскоре после этого нам удалось обнаружить, что свет квантуется на фотоны и что даже отдельные фотоны могут действовать как частицы, ионизируя электроны, если они обладают нужной энергией.
![Этот график энергии фотонов в зависимости от энергии электрона для электрона, связанного в атоме цинка, показывает, что ниже определённой частоты (или энергии) фотоны не вылетают из атома цинка. Это не зависит от интенсивности. Однако выше определённого энергетического порога (при достаточно коротких длинах волн) фотоны всегда отбрасывают электроны. При дальнейшем увеличении энергии ионизирующих фотонов электроны выбрасываются с возрастающей скоростью.](https://habrastorage.org/getpro/habr//post_images/787/67f/eeb/78767feeb3afdb02d38337bf3640046f.png)
Ещё более странное осознание пришло в XX веке, когда мы обнаружили, что:
Одиночные фотоны, если пропускать их через двойную щель по одному, всё равно будут интерферировать между собой, создавая картину, соответствующую волновой природе.
Электроны, которые, как известно, являются частицами, также демонстрируют эту интерференционную и дифракционную картину.
Составные частицы и даже крошечные живые организмы могут интерферировать между собой, когда вы пропускаете их через двойную щель.
Однако если вы измерили, через какую щель прошёл фотон или электрон, вы не получите интерференционной картины вообще. Вы получите её только в том случае, если не будете проводить измерения.
Похоже, что каждая частица, которую мы когда-либо наблюдали, может быть описана и как волна, и как частица. Большой урок квантовой физики состоит не в том, что вещи по своей сути являются либо «волнами», либо «частицами», а в том, что нам нужно рассматривать все объекты как волны и/или частицы, в зависимости от физических обстоятельств рассматриваемого сценария. Если мы будем настаивать на том, чтобы рассматривать явление как «волну» или «частицу» в 100 % случаев, мы просто не получим результатов, которые согласуются с нашими экспериментами.
![Сигнал от гравитационно-волнового события GW190521, как его видели все три активных в то время детектора гравитационных волн: LIGO Hanford, LIGO Livingston и Virgo. Длительность всего сигнала составила всего ~13 миллисекунд, но он представляет собой энергию, эквивалентную 8 солнечным массам, преобразованным в чистую энергию по формуле Эйнштейна E = mc². Это одно из самых массивных слияний чёрной дыры с чёрной дырой, когда-либо наблюдавшихся напрямую. Необработанные данные и теоретические предсказания, показанные на 3 верхних панелях, невероятно хорошо совпадают, чётко демонстрируя наличие волнообразной структуры.](https://habrastorage.org/getpro/habr//post_images/843/ee2/b5f/843ee2b5fa9edd4670efc73ad99569aa.jpg)
Теперь, наконец, мы готовы рассмотреть гравитационные волны. Эти волны уникальны с точки зрения физики, потому что мы видели только их волнообразную часть, но никогда — часть, связанную с частицами. Это связано с тем, что, хотя мы часто предполагали, что реальность имеет квантовую природу, нам никогда не удавалось проверить гравитацию на прочность, чтобы определить, проявляет ли она это присущее ей квантовое поведение или нет.
Однако, подобно тому как волны на воде состоят из частиц, мы вполне можем предположить, что гравитационные волны тоже состоят из частиц. Когда вы видите рябь на пруду, волны в океане или круги, расходящиеся от человека, прыгнувшего в бассейн, вы явно наблюдаете волнообразное явление в макроскопическом масштабе. Но микроскопически вода состоит из отдельных молекул — их огромное количество — которые взаимодействуют друг с другом. Только из их совместных движений, сложенных вместе, возникает волнообразное поведение.
У гравитации частицами, образующими гравитационные волны, в отличие от водяных волн, должны быть не молекулы воды, а гравитоны — частицы, передающие силу гравитации в рамках всех известных идей, которые может дать квантовая теория гравитации. Вполне ожидаемо, что гравитоны появятся как следствие того, что гравитация является квантовой силой, присущей природе, и так же, как свет состоит из фотонов, гравитационные волны должны состоять из гравитонов.
![Ряд частиц, движущихся по круговым траекториям, может создавать макроскопическую иллюзию волн. Точно так же отдельные молекулы воды, движущиеся по определённой схеме, могут создавать макроскопические водные волны, отдельные фотоны создают явление, которое мы воспринимаем как световые волны, а гравитационные волны, которые мы видим, скорее всего, состоят из отдельных квантовых частиц, которые их образуют — гравитонов.](https://habrastorage.org/getpro/habr//post_images/807/170/1df/8071701df960e1ea8de71ebabb8a6fd5.gif)
Потому что это волна, и потому что эта волна, как было замечено, ведёт себя именно так, как предсказывает общая теория относительности, в том числе:
во время сближения тел по спирали,
во время фазы слияния и
во время последних моментов слияния, когда чёрные дыры вибрируют и искажаются,
мы можем с уверенностью заключить, что она будет продолжать делать все те волнообразные вещи, которые предсказывает общая теория относительности. В деталях они немного отличаются от других привычных нам волн: это не скалярные волны, как волны воды, и даже не векторные волны, как свет, где есть синфазные, колеблющиеся электрические и магнитные поля.
Вместо этого это тензорные волны, которые заставляют пространство сжиматься и разжиматься во взаимно перпендикулярных направлениях, когда волна проходит через эту область, как показано в следующем видео.
Эти волны делают многое из того, что вы ожидаете от любой волны, включая то, что
они распространяются с определённой скоростью через свою среду (со скоростью света, через саму ткань пространства),
они интерферируют с любыми другими пульсациями в пространстве как конструктивно, так и деструктивно,
эти волны «путешествуют» поверх любого другого, уже существующего искривления пространства-времени,
и если бы существовал способ заставить эти волны демонстрировать дифракцию — возможно, при огибании сильного гравитационного источника, такого как чёрная дыра, — они бы делали именно это.
Кроме того, мы знаем, что по мере расширения Вселенной эти волны будут делать то, что делают все волны в расширяющейся Вселенной: растягиваться и расширяться по мере того, как расширяется фоновое пространство Вселенной.
![По мере расширения Вселенной длина волн любого излучения также растягивается. Это относится как к гравитационным, так и к электромагнитным волнам; любая форма излучения растягивает свою длину волны (и теряет энергию) по мере расширения Вселенной. По мере того как расширяется ткань Вселенной, длина волн любого излучения также растягивается. Это приводит к тому, что Вселенная становится менее энергичной, и многие высокоэнергетические процессы, спонтанно возникающие в ранние времена, становятся невозможными в более поздние, холодные эпохи. Для того чтобы Вселенная остыла настолько, что могли образоваться нейтральные атомы, требуются сотни тысяч лет.](https://habrastorage.org/getpro/habr//post_images/0ad/1e1/cff/0ad1e1cff1a101f78e99ce442e73bafc.jpg)
Итак, главный вопрос заключается в том, как мы можем проверить «квантовую» часть этой идеи? Как искать «частицеподобную» природу гравитационной волны?
Теоретически гравитационная волна похожа на предыдущее изображение, где показана кажущаяся волна, возникающая из множества частиц, которые движутся вокруг: эти частицы — гравитоны, а общая кажущаяся волна — это то, что обнаружил LIGO. Есть все основания полагать, что мы наблюдаем последовательность гравитонов – это:
частицы со спином 2,
безмассовые,
которые распространяются со скоростью света,
и взаимодействуют только через гравитационную силу.
Ограничения LIGO на второе свойство гравитонов — их безмассовость — чрезвычайно хороши: если гравитон и имеет массу, то она меньше 1,6 x 10-22 эВ/c², или примерно в ~1028 раз легче электрона. Но пока мы не найдём способ проверить квантовую гравитацию с помощью гравитационных волн, мы не узнаем, справедлива ли для гравитонов корпускулярная часть дуализма волна-частица.
На самом деле существует несколько возможностей для такого теста, хотя LIGO и другие гравитационно-волновые обсерватории вряд ли смогут провести любой из них в их нынешней инкарнации. Видите ли, квантовые гравитационные эффекты наиболее сильны и выражены там, где на очень малых расстояниях действуют сильные гравитационные поля. Что может быть лучше для исследования этого режима, чем слияние чёрных дыр?
Когда две сингулярности сливаются вместе, эти квантовые эффекты — которые должны быть отклонениями от общей теории относительности — будут проявляться в момент слияния, а также непосредственно перед слиянием (в конце фазы инспирации) и сразу после него (в начале фазы спуска). В реальности, речь идёт о зондировании пикосекундных временных масштабов, а не микро- и миллисекундных, к которым чувствителен LIGO, что потребует огромного прогресса в чувствительности гравитационно-волновых экспериментов во временном диапазоне.
Невозможно ли это физически? Необязательно. LIGO, напомним, работает с помощью лазеров, которые проходят через вакуумные полости, тысячи раз отражаются от зеркал, а затем их свет реконструируется и собирается воедино. Теперь подумайте вот о чём: мы разработали лазерные импульсы, работающие в фемтосекундном или даже аттосекундном (от 10-15 с до 10-18 с) диапазоне времени, и поэтому вполне возможно, что наше оборудование достаточно чувствительно к крошечным отклонениям от теории относительности, если у нас будет достаточно таких интерферометров, работающих одновременно. Это потребует огромного скачка в технологии, включая большое количество интерферометров, значительное уменьшение шума и увеличение чувствительности. Но это не технически невозможно, это просто технологически сложно!
![Начиная с маломощного лазерного импульса, вы можете растянуть его, уменьшив мощность, затем усилить, не разрушив усилитель, а затем снова сжать, создав более мощный импульс с меньшим периодом, чем это было бы возможно в противном случае. Теперь мы перешли от фемтосекундной (~10-15 с) эры к эре аттосекундной (10-18 с) физики, если говорить о лазерах.](https://habrastorage.org/getpro/habr//post_images/e20/f08/395/e20f083957f8ada2d4893c13a6af756c.jpg)
Хотя у нас есть все основания полагать, что гравитационные волны — это просто квантовый аналог электромагнитных волн, мы, в отличие от обнаружения электромагнитного фотона, ещё не справились с технологической задачей прямого обнаружения гравитационной частицы, которая является противоположностью гравитационных волн: теоретического гравитона. Хотя современные детекторы гравитационных волн пока не обладают достаточной чувствительностью во временной области, чтобы прозондировать квантовые гравитационные эффекты, которые могут возникнуть по обе стороны от точного момента слияния чёрной дыры с чёрной дырой, это не технологическая или теоретическая невозможность: просто огромная проблема.
Теоретики все ещё рассчитывают уникальные квантовые эффекты, которые должны возникнуть, и вместе с экспериментаторами разрабатывают настольные тесты квантовой гравитации, а астрономы, изучающие гравитационные волны, ломают голову над тем, как детектор будущего поколения сможет однажды раскрыть квантовую природу этих волн. Хотя мы ожидаем, что гравитационные волны будут проявлять дуализм волна-частица, пока мы не обнаружим его, мы не можем знать наверняка. Будем надеяться, что наше любопытство заставит нас вложить в это деньги, что природа будет сотрудничать, и мы узнаем ответ раз и навсегда!
Комментарии (20)
Yura1975
03.09.2024 07:43+4"...и даже крошечные живые организмы могут интерферировать между собой, когда вы пропускаете их через двойную щель." - можно про этот эксперимент поподробнее?
Gold_68
03.09.2024 07:43+2Я подозреваю, что либо автор, либо переводчик некорректно интерпретировал понятие интерференции в биологии. Там есть такое понятие, но оно означает совершенно другое явление, отличное от волновой интерференции.
Vsevo10d
03.09.2024 07:43+1Я вообще так и не понял, зачем вводная простыня про классический интерферометр. Все ждал, что из этого последует вывод: надо всего-то построить в космосе антигравитационную стену со щелями и сидеть в LIGO смотреть, гравитон ждать.
VBDUnit
03.09.2024 07:43+1Про интерференцию фуллерена C60 эксперимент был, и был успешным. А вот интерференция живых организмов... ну, теоретически она есть, но эксперименты с этим — это что то новенькое
bbs12
03.09.2024 07:43Если верить вики, то:
В 2019 году удалось добиться дифракции молекул массой более 25 000 а. е. м., состоящих из почти 2000 атомов каждая
Вирус, если считать его за живой организм минимального размера - это вроде как минимум несколько миллионов атомов.
По всем расчётам и у вирусов и у всего остального должны быть волновые свойства, просто потому что этот мир квантовый и весь состоит из элементарных частиц.
Vsevo10d
03.09.2024 07:43Нам на первом курсе универа лектор по общей химии говорил: возьмите формулу E=hc/λ и попробуйте посчитать волновые свойства себя (70 кг, движущиеся со скоростью 1 м/с). Грубый способ показать, что длина волны такого объекта будет за пределами разрешения самой маленькой дифракционной решетки и вообще физического смысла, т.к. будет меньше линейных размеров атомов. Так что увы, квантовые свойства - это не про нас с вами, не макро и даже не про микрообъекты.
bbs12
03.09.2024 07:43Зато поведение человека может зависеть от квантовой механики. Один атом кальция (или молекула другого вещества, не суть важно) в нужном месте может вызвать или не вызвать активацию нейрона в мозге, а это дальше по цепочке запустит лавинную реакцию других нейронов и в голове возникнет или не возникнет какая-нибудь мысль. Атом - квантовый объект и может находиться в суперпозиции. Значит каким-то образом, как минимум частично, человек или его действия и поведение могут находиться в суперпозиции.
rPman
03.09.2024 07:43Идея о том что нейроны чувствительны к квантовым флюктуациям не состоятельна, потому что при повышении степени облучения радиацией, проведение человека не становится хаотичным... Человек был бы очень чувствительным к этому.
bbs12
03.09.2024 07:43Поведение становилось бы хаотичным, если бы у атома или любой другой элементарной частицы было бы бесконечное количество возможных позиций.
Предположим, что у нас есть атом водорода с одним электроном. Этот электрон не может занимать бесконечное количество позиций, у него существует только одна возможная позиция, ну или несколько каких-то определённых позиций. Если честно я не помню квантовую механику атома водорода. Но суть в том, что у элементарной частицы есть ограниченное количество позиций, которые она может занимать. Поэтому хаоса не будет. Будет перебор определённого количества возможных позиций. И, согласно Эверетту, в разных вселенных наблюдатели увидят разные результаты этого перебора. Где-то человек пройдёт прямо, где-то повернёт налево, где-то направо, а где-то он достанет пистолет и выстрелит себе в голову.
В реальности конечно количество возможных позиций намного больше. Там есть варианты, когда человек достаёт пистолет но пистолет выпадает у него из рук, когда он достаёт пистолет, наводит себе на голову, нажимает на курок, но происходит осечка. Когда он тянет руку и пытается достать пистолет, но оказывается, что он забыл его дома. В общем там миллионы вариантов, но не бесконечное количество. Поэтому будет не хаос, а перебор ограниченного количества очень большого количества вариантов.
AbitLogic
03.09.2024 07:43Эта формула используется когда скорость близка к скорости света, при 1 метре в секунде λ=h/p
AbitLogic
03.09.2024 07:43+1Поясню "знатокам" физики, под E там понимается mv^2/2+mc^2 и ваш метр в секунду ничто по сравнению с mc^2, можете его не считать даже, под p понимается именно mv
Tyusha
03.09.2024 07:43+1В данном объяснении есть изъян. Давайте возьмëм скорость не 1 м/с, а 0,000..1 м/с. Т.е. для почти стоящего человека длина волны может быть сколь угодно большой, и стало быть он легко интерферирует на двойной щели!?
Ну-ка, давайте объясните парадокс. (Если что, я знаю ответ.)
AbitLogic
03.09.2024 07:43+1Не совсем понял, в норме постоянная планка 10^-34 перекрывается малой массой скажем электрона 10^-31, а вы хотите одной скоростью перекрыть?
rPman
03.09.2024 07:43+1Нужно задавать другие вопросы:
влияет ли искривление пространства на движение гравитационных волн, т.е. можно ли использовать массу (например солнце или другую галактику) как линзу для них?
что может повлиять на гравитационные волны? их можно поглотить и экранировать? отразить? возможен ли гравитационный лазер (понимаю что это абсурд но вопрос красивый)?
гравитация бывает одного вида? как фотоны? или возможна антигравитация (в том смысле что бывает электрон и позитрон)?
Shkaff
03.09.2024 07:43влияет ли искривление пространства на движение гравитационных волн, т.е. можно ли использовать массу (например солнце или другую галактику) как линзу для них?
Да
что может повлиять на гравитационные волны? их можно поглотить и экранировать? отразить? возможен ли гравитационный лазер (понимаю что это абсурд но вопрос красивый)?
Гравитационно-волновые детекторы поглощают (небольшую) часть волны, иначе они не могли бы работать. Экранировать и отразить нельзя. Лазер — теоретически, можно.
гравитация бывает одного вида? как фотоны? или возможна антигравитация (в том смысле что бывает электрон и позитрон)?
Антигравитации в смысле как электрон и позитрон быть не может (т.к. роль заряда для гравитации выполняет энергия, а отрицательной энергии не бывает). Но гравитация может быть не только одного вида, может быть несколько типов гравитонов, по крайней мере гипотетически.
event1
03.09.2024 07:43Не очень понятно какого рода взаимодействия ждут от этого гравитона. Корпускулярная часть дуализма фотонов проявляется инертным взаимодействием (он куда-то ударяется). Какого рода инертного взаимодействия можно ожидать от гравитона?
Ну, и конечно, жду не дождусь электростанцию собирающую энергию гравитационных волн.
Tyusha
Гравитационные волны — это коллективный эффект большой волны, т.е. большого количества когерентных гравитонов.
Чтобы проверить именно корпускулярные свойства гравитона, надо зарегистрировать единичный гравитон. Гравитационные антенны для этого никак не подходят. Регистрация корпускулы — это всегда какой-то единичный акт — квантовый переход в веществе детектора (типа фотоэффекта).
Т.е. нужна ядерная реакция с участием гравитона (реакция с частицами) или хотя бы реакция рассеяния. Последнее более реалистично, хотя всё равно находится за гранью разумного. Амплитуды (сечения) таких процессов не то что маленькие, а исчезающе никакие.
PS Надо добавить, что корпускулярно-волновой дуализм не является необходимым для "квантовости" гравитации. Это лишь одно из проявлений, которое может быть, а может и не быть. Процессы поглощения гравитона, быть может, по какой-то причине окажутся запрещены.