[Перевод] Спросите Итана: проявляется ли у гравитационных волн корпускулярно-волновой дуализм?

Теперь, когда LIGO впервые обнаружил сигнал гравитационных волн, подтверждена часть теории Эйнштейна, предсказывающая, что сама ткань пространства должна покрываться рябью и волнами. И это вызывает много интересных вопросов, включая следующий:

Должны ли гравитационные волны проявлять корпускулярно-волновой дуализм, и если да, придумали ли уже физики с LIGO способы проверить это, типа какого-нибудь эксперимента с двумя щелями?

Корпускулярно-волновой дуализм – одно из самых странных последствий квантовой механики, известных нам.

Начинается всё довольно просто: материя состоит из частиц, из атомов и их компонентов, а излучение – из волн. Частицу видно, так как она проявляет такие свойства, как столкновения или отскоки, слипается с другими частицами, обменивается энергией, связывается и т.п. А волну можно определить по дифракции и интерференции с самой собой. Ньютон неверно считал, что свет состоит из частиц, но другие, например, Гюйгенс (его современник) и учёные начала XIX века, Янг и Френель, показали со всей определённостью, что свет выказывает свойства, которые нельзя объяснить, если не рассматривать его, как волну. Самое наглядное из их – прохождение света через двойную щель: рисунок на фоновом экране показывает, что свет интерферирует как конструктивно (появляются яркие точки) так и деструктивно (появляются тёмные точки).

Интерференция – волновое свойство, поэтому эксперимент «доказал», что свет – это волна. Но в начале XX века всё немного запуталось, когда был открыт фотоэлектрический эффект. Если посветить на определённый материал, свет начнёт периодически выбивать электроны. Если сделать свет краснее (понизить энергию) – даже увеличив его интенсивность – электроны перестанут выбиваться. Но если сделать его синее (увеличить энергию), то, даже если сильно прикрутить эффективность, всё равно свет будет выбивать электроны. Вскоре после этого оказалось, что свет квантуется в фотоны, и что отдельные фотоны могут вести себя, как частицы, при правильной энергии ионизируя электроны.

Ниже определённой границы энергии ионизации не происходит

В течение XX века появились ещё более странные результаты:

• Отдельные фотоны, проходя через две щели поодиночке, будут интерферировать сами с собой, и давать картинку, соответствующую волновой.
• Электроны, будучи частицами, также демонстрируют интерференцию и дифракцию.
• Если измерить, через какую конкретно щель проходит фотон или электрон, картины интерференции не получается – а если не измерять, получается.

Кажется, что каждую наблюдаемую нами частицу можно описать и как волну, и как частицу. Более того, квантовая физика говорит, что нужно описывать её как и то и то одновременно, иначе мы не получим результатов, согласующихся с экспериментами.

Переходим к гравитационным волнам. Они довольно уникальны, поскольку пока мы наблюдали только их волновые проявления, но не наблюдали, чтобы они вели себя, как частицы. Однако, так же, как волны воды состоят из частиц, так и гравитационные волны должны состоять из частиц. Этими частицами должны быть гравитоны, передающие силу гравитации, и они должны проявиться как следствие того, что гравитация по природе своей – квантовое взаимодействие.

Поскольку это волна, судя по наблюдениям, ведущая себя ровно так, как предсказывает Общая теория относительности, мы можем спокойно заключить, что она и дальше будет вести себя, как все волновые сущности, предсказываемые ОТО. В деталях они немного отличаются от других привычных для нас волн: это не скалярные волны, как волны на воде, и не векторные волны, как свет, в котором электрические и магнитные поля синфазно осциллируют. Это тензорные волны, заставляющие пространство сжиматься и расширяться в перпендикулярном направлении по мере прохождения волны.

Эти волны во многом ведут себя так же, как любые другие, в том числе, распространяются в среде с определённой скоростью (со скоростью света по самой ткани пространства), интерферируют с другими волнами в пространстве как конструктивно, так и деструктивно, перемещаются по поверхности уже существующей кривизны пространства-времени, и если бы эти волны можно было заставить испытывать дифракцию – возможно, при проходе вокруг такого сильного источника гравитации, как чёрная дыра – они проделали бы и это. Кроме того, с известно, что с расширением Вселенной эти волны будут вести себя так же, как все остальные: растягиваться и расширяться вместе с фоновым пространством Вселенной.

Так что вопрос состоит в том, как проверить их квантовую часть? Как искать корпускулярную природу гравитационной волны? В теории, гравитационная волна похожа на анимацию вверху, показывающую, как видимость волны возникает из множества движущихся кругами частиц – эти частицы будут гравитонами, а получающуюся волну и зафиксировал LIGO. Есть все основания полагать, что у нас есть гравитоны, которые:

• обладают спином 2,
• не обладают массой,
• перемещаются со скоростью света,
• взаимодействуют только через гравитацию.

Ограничения, полученные с LIGO на массу гравитона, очень хороши: если у него и есть масса, то она не превышает 1,6 * 10^-22 эВ / c², то есть, он в 10²⁸ раз легче электрона. Но пока мы не придумаем способа проверить квантовую гравитацию при помощи гравитационных волн, мы не узнаем, демонстрируют ли гравитоны корпускулярно-волновой дуализм.

На это есть пара шансов, хотя LIGO вряд ли преуспеет в этом. Видите ли, эффекты квантовой гравитации сильнее всего проявляются там, где на очень коротких расстояниях взаимодействуют очень сильные гравитационные поля. Есть ли лучший способ это проверить, чем наблюдать объединение чёрных дыр? При слиянии двух сингулярностей эти квантовые эффекты – отправной точкой которых должна быть ОТО – проявятся в момент слияния, незадолго до него и сразу после. Мы должны отслеживать явления на временных отрезках, измеряемых пикосекундами, а не микро- или миллисекундами, к которым чувствителен LIGO – но это может оказаться невозможным. В принципе, мы разработали лазерные импульсы, работающие на шкале фемтосекунд или даже аттосекунд (10^-15 с — 10^-18 с), так что потенциально мы можем организовать чувствительность, отслеживающую небольшие отступления от относительности, если запустить одновременно достаточно много таких интерферометров. Это потребует огромного скачка технологий, значительного уменьшения шума и увеличения чувствительности. Но технически это не невозможно – это просто очень сложно!

Если вам требуется больше информации, то я как раз записал видео с рассказом о гравитационных волнах, LIGO и том, что мы узнали о них.

Нашей темы особенно касается последний вопрос, где говорится о том, как мы можем проверить корпускулярную природу гравитонов, что закончило бы картину корпускулярно-волнового дуализма Вселенной. Мы считаем, что это окажется правдой, хотя точно мы и не знаем. Надеюсь, что наше любопытство заставит нас вложиться в эти исследования, природа подыграет нам, и мы всё выясним!