Ученые из Северо-Западного университета в США запускают интересный эксперимент, который может помочь нам разобраться с одной из самых запутанных загадок современной физики — фокусами квантовой механики и общей теории относительности. Проект под названием SUPREME-GQ (Space-borne Ultra-Precise Measurement of the Equivalent Principle Signature of Quantum Gravity) возглавляет физик Селим Шахриар. Их цель — получить точные данные о квантовой гравитации, чего до сих пор никто не делал.
Общая теория относительности, предложенная Альбертом Эйнштейном больше ста лет назад, объясняет гравитацию как искривление пространства и времени вокруг масс. Она замечательно описывает, как движутся планеты, как свет искривляется вблизи массивных объектов и даже предсказывает существование черных дыр. Но на уровне мельчайших частиц — в мире квантов — эта теория начинает буксовать.
В основе нового эксперимента лежит принцип эквивалентности. Это ключевое положение ОТО утверждает, что гравитация и ускорение совершенно неразличимы. Но некоторые квантовые теории говорят, что на микроскопическом уровне происходят отклонения от этого принципа. Чтобы уловить эти отклонения, ученые пользуются параметром Этвеша — величиной, которая показывает, насколько хорошо согласованы гравитационная и инерционная масса.
Ранее, в 2022 году, эксперименты, проведенные в рамках проекта MICROSCOPE, измерили этот параметр с точностью до 10⁻¹⁵. Но этого оказалось недостаточно для подтверждения теорий, таких как теория струн, которые предсказывают отклонения на уровне 10⁻¹⁸. Вот здесь и вступает в игру проект Шахриара. Они планируют повысить точность измерений до поразительных 10⁻²⁰, используя атомные интерферометры с эффектом квантовой запутанности.
В эксперименте будут задействованы рубидиевые атомы, которые с помощью лазеров разделяются на два потока. Это приведет к состоянию, напоминающему кота Шредингера — они будут существовать в двух состояниях одновременно, пока их не наблюдают. Команда Шахриара разработала уникальный протокол «генерализованного квантового эха», который позволяет запутанным атомам оставаться в этом состоянии достаточно долго для точных измерений.
При объединении световых потоков можно будет увидеть отклонения, которые помогут точнее оценить параметр Этвеша и, возможно, подтвердить или опровергнуть возможность существования квантовой гравитации. Если эксперимент удастся, технологии, использованные в этом исследовании — так называемые интерферометры атомов Шредингера — могут быть адаптированы для применения на Земле. Шахриар называет их потенциальные датчики «проверкой современных акселерометров и гироскопов», обещая точность в тысячи раз выше использования в системах навигации и управления.
Таким образом, новое исследование не только расширяет наши знания о физике, но и может повлиять на технологии, с которыми мы общаемся и живем каждый день. Эти шаги приближают нас к пониманию того, как выглядят законы природы на самом глубоком уровне.
