Спроси Итана: Показывают ли гравитационные волны корпускулярно-волновой дуализм?

Итан Зигель

Forbes, 20 февраля 2016 года

Статья переведена и публикуется с любезного разрешения автора.

Image credit: NASA.

Теперь, с открытием LIGO первого сигнала гравитационных волн, подтверждена часть Общей Теории Относительности Эйнштейна, говорящая о том, что ткань пространства сама по себе может содержать волны и мелкую рябь. Все это вызывает разнообразные интересные вопросы - вроде такого, заданного нашим читателем (и спонсором Patreon!) Джо Лато (Joe Latone):

" ожидается ли, что гравитационные волны будут показывать корпускулярно-волновой дуализм, и, если да, могут ли ученые LIGO придумать эксперименты (вроде эксперимента с двумя щелями), чтобы это проверить? "

Корпускулярно-волновой дуализм - одно из самых странных открытых нами следствий квантовой механики.

Image credit: Wikimedia Commons пользователь Sakurambo, на основе работы Томаса Янга (Thomas Young), представленной Королевскому Сообществу в 1803.

Начиналось все довольно просто: материя образуется частицами - такими, как атомы и их составляющие, а излучение состоит из волн. Частицей можно назвать что-то, что может сталкиваться и отталкиваться от других частиц, слипаться, обмениваться энергией, связываться и т.п. А волной называлось что-то, что могло подвергаться дифракции и интерференции. Ньютон ошибочно думал, что свет состоит из частиц, но его современники - например, Гюйгенс, и также ученые начала XIX века - Юнг и Фреснель - однозначно показали, что у света есть такие свойства, которые можно объяснить только тем, что он представляет собой волны. Самые известные из их экспериментов - эксперименты с двумя щелями: при прохождении света через две щели на экране явно отображалась картина интерференции - где свет взаимодействовал как конструктивно (максимумы яркости), так и деструктивно (минимумы).

Image credit: пользователи Wikimedia Commons  Dr. Tonomura and Belsazar. Обратите внимание, как картина интерференции становится различимой только при наличии достаточного числа частиц, даже несмотря на то, что они пролетают через щели по одной.

Эта интерференция - продукт исключительно волновой, поэтому "доказывала", что свет состоит из волн. Но в начале XX века все смешал фотоэффект. Если направить свет на определенный материал, свет начнет выбивать "случайные" электроны. Если теперь свет сделать красным (то есть меньшей энергии), то, даже если усилить его интенсивность, он перестанет выбивать электроны. Но если сделать свет синим, более высокой энергии, то даже если уменьшить его интенсивность до нуля, он продолжает выбивать электроны. Немного времени спустя, мы открыли, что свет можно проквантовать на фотоны, и каждый отдельный фотон действует как частица, ионизующая электроны с подходящей энергией.

Image credit: пользователь Wikimedia Commons Klaus-Dieter Keller, создано при помощи Inkscape. Заметим, что для энергий ниже определенного порога, ионизация не проявляется, а выше - происходит, причем чем больше энергия фотона, тем больше скорость вылетающего электрона.

Далее, в XX веке, были обнаружены еще более странные вещи:

- отдельные фотоны, пропущенные через двойную щель, по прежнему интерферируют сами с собой, давая картину, которая соответствует волновой модели.

- Электроны, которые считались ранее частицами, также показывают аналогичную картину.

- Если пытаться установить, через какую щель пролетел фотон, картина интерференции исчезает. Если не пытаться - снова появляется.

Оказалось, что каждая частица может быть одновременно и волной. Более того, квантовая механика учит, что в подходящих условиях мы должны рассматривать частицы именно так, иначе мы не получим результатов, согласующихся с нашими экспериментами.

Image credit: B. P. Abbott et al. (LIGO Scientific Collaboration and Virgo Collaboration), via PRL 116, 061102 (2016).

И теперь, мы переходим к гравитационным волнам. Они уникальны тем, что пока мы не видели их в виде частиц.  Но мы вправе ожидать, что они тоже как и обычные волны состоят из частиц - только эти частицы не молекулы воды, а гравитоны - частицы гравитационного взаимодействия,  возникающие вследствие того, что гравитация, по существу - квантовая сила.

Image credit: Dave Whyte of Bees & Bombs, via http://beesandbombs.tumblr.com/post/134366721074/ok-couldnt-resist-remaking-this-old-chestnut-in.

И, поскольку это волны, а волны, как предсказывает Общая Теория Относительности (ОТО), должны подчиняться определенным правилам:

- во время возбуждения,
- во время наложения, и
- во время затухания,

мы можем с хорошей степенью уверенности утверждать, что они будет вести себя также, как и другие волны, описанные ОТО. В деталях они слегка отличается от других волн, к которым мы привыкли - в частности, они не такие скалярные, как волны в воде, и не такие векторные, как свет, в котором синфазно колеблются электрическое и магнитное поля. Отличие в том, что это - т.н. тензорные волны, которые возникают, когда пространство сжимается и расширяется в направлениях, перпендикулярных их движению.

У этих волн те же свойства, что и у обычных волн - например, они могут распространяться с определенной скоростью через свою среду (со скоростью света через ткань самого пространства), они могут интерферировать с другими волнами - конструктивно и деструктивно, они могут кататься на искривлениях пространства-времени, а также для них существуют некоторые условия, в которых можно наблюдать их дифракцию - например, огибание сильного источника гравитации вроде черной дыры. В дополнение к этому, при расширении Вселенной эти волны будут делать ровно то же, что и другие - растягиваться.

Image credit: E. Siegel, из книги Beyond The Galaxy, продающейся на http://amzn.to/1UdcwZP.

Вопрос в том, как мы собираемся проверить их квантовую часть? Как увидеть "частичную" часть гравитационной волны? В теории, гравитационные волны похожи на ранние изображения волн, которые показывали видимую волну, как колебания множества движущихся частиц - эти частицы являются гравитонами, а общей видимой нам волной - гравитационная волна, обнаруженная LIGO. Это - единственная причина утверждать, что гравитоны уже у нас в руках, поскольку они:

- обладают спином 2,
- не имеют массы,
- распространяются со скоростью света,
- взаимодействуют только посредством гравитации.

Второе ограничение для LIGO исключительно хорошо: если у гравитона и есть масса, она меньше 1.6 x 10^-22 eV/c^2, или примерно в ~10^28 меньше массы электрона. Но пока мы не придумаем метод для проверки квантовой гравитации при помощи гравитационных волн, мы не узнаем, являются ли эти частицы гравитонами.

И,  хотя у нас есть некоторые шансы это установить, LIGO вряд ли нам поможет. Видите ли, эффекты квантовой гравитации наиболее сильны там, где есть сильнейшие гравитационные поля на очень маленьких расстояниях. Есть ли проверка лучше, чем слияние черных дыр?! Когда сливаются две сингулярности, эти квантовые эффекты - следствия ОТО - будут проявлять себя непосредственно во время слияния, перед слиянием (как возбуждение волн) и сразу после него (как их затухание). И хотя мы говорим о промежутках времени в пиросекунды, а не микро-миллисекунды (предел LIGO), обнаружить их все же можно. Мы разработали лазеры, которые могут работать в промежутки времени в фемто- или даже аттосекунды (от 10^-15 с до 10^-18 с). Поэтому вполне возможно было бы попробовать повысить чувствительность этих интерферометров до таких значений. Все это вызовет огромный скачок технологий, включая создание огромного количества интерферометров, методов подавления шума и увеличения порога чувствительности. С точки зрения технологии, это не невозможно, это всего лишь очень трудно!

Для астрономов LowBrow в Мичигане я только что сделал небольшой видеорассказ о гравитационных волнах, LIGO и том, чему мы научились - вот полная запись беседы (прошу прощения за помарки записи Google)

Возможно, вас заинтересует только один последний вопрос - о том, как именно мы можем проверить существование частицы гравитон, которая завершит формирование нами представления о корпускулярно-волновом дуализме этой Вселенной. Мы думаем, что это правда, но пока не знаем этого наверняка. Будем надеяться, что наше любопытство приведет нас к необходимости вложить еще больше усилий, что природа будет к нам благосклонна, и что мы сможем это выяснить!