Физики исследуют квантовую природу гравитации через эксперименты с запутанностью

Вопрос о том, обладает ли гравитация, единственная из четырех фундаментальных сил, не включенная в квантово-механическую структуру, квантовой природой, остается одной из центральных нерешенных проблем современной физики. В то время как электромагнитное, сильное и слабое взаимодействия последовательно описываются квантовыми теориями поля, гравитация, согласно Общей теории относительности Альберта Эйнштейна, трактуется как искривление самого пространства-времени, что является классическим описанием.

Попытки создать непротиворечивую теорию квантовой гравитации ведутся уже более века. Текущие исследования сосредоточены на поиске экспериментальных признаков квантовых явлений в гравитации. Перспективным путем, основанным на идее, предложенной Ричардом Фейнманом еще в 1957 году, является проверка того, может ли гравитация индуцировать квантовую запутанность между двумя микроскопическими массами. Обнаружение такой запутанности стало бы убедительным указанием на квантовую сущность гравитации.

Исследовательские группы по всему миру активно работают над проведением этого теста в лабораторных условиях, стремясь перевести чрезвычайно малые массы в глубоко охлажденные, квантово-механические состояния. Например, группа исследователей в Вене планирует использовать лазеры для охлаждения крошечных стеклянных шариков, размером около 150 нанометров, до состояния, когда они начнут вести себя как квантовые волновые пакеты. Другие эксперименты, опирающиеся на принципы, схожие с экспериментом Кавендиша, нацелены на измерение гравитационного взаимодействия между очень малыми объектами, некоторые команды стремятся изучить массы всего в несколько микрограммов. Профессор Хендрик Ульбрихт из Саутгемптонского университета отмечает, что новая техника, использующая сверхнизкие температуры и устройства изоляции вибрации, вероятно, станет путем вперед для измерения квантовой гравитации.

Эти эксперименты сопряжены с колоссальной технической сложностью, требуя проведения в условиях почти идеального вакуума, полностью экранированного от любых внешних возмущений. Более того, недавние теоретические разработки усложняют интерпретацию результатов: они предполагают, что даже чисто классическая гравитация, описанная ОТО, может вызывать форму запутанности при определенных условиях. Исследователи Ричард Хаул и Джозеф Азиз из Лондонского университета показали, что классическая гравитация в сочетании с квантовой теорией поля для материи может порождать квантовую коммуникацию, что означает, что наблюдаемая запутанность не обязательно доказывает наличие квантовых гравитонов.

Независимо от прямых экспериментальных проверок, теоретические изыскания продолжают развиваться. Например, группа Emmy Noether Junior Research Group в Университете Гамбурга занимается проработкой сложных аспектов квантовой гравитации, что может дать ключ к пониманию таких явлений, как темная энергия. Ученые из Университета Аалто в Финляндии также предложили новый подход к описанию гравитации, совместимый с квантовой теорией поля, который может помочь в решении проблем сингулярностей черных дыр и начала Вселенной.

Центральной целью остается унификация Общей теории относительности с квантовой механикой для достижения всеобъемлющего понимания фундаментальных сил Вселенной, что остается предметом интенсивных глобальных исследований в 2026 году. В то время как гравитация на макроуровне прекрасно описывается ОТО, на субатомных масштабах эта теория сталкивается с трудностями, известными как ультрафиолетовые расходимости. Успешное разрешение этой проблемы, возможно, приведет к созданию «Теории всего».