Все частицы материи могут действовать как волны, а безмассовые световые волны демонстрируют поведение, подобное частицам. Могут ли гравитационные волны также быть похожими на частицы?

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.

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).

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.

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.

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.

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.

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!

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!