Ученые из Северо-Западного университета в США планируют провести амбициозный эксперимент, который может пролить свет на одно из самых сложных противоречий современной физики — несовместимость общей теории относительности (ОТО) и квантовой механики. Проект под руководством Селима Шахриара под названием SUPREME-GQ (Space-borne Ultra-Precise Measurement of the Equivalent Principle Signature of Quantum Gravity) нацелен на получение экспериментальных данных о квантовой гравитации с беспрецедентной точностью. Об этом сообщает портал Universe Today (UT).
Общая теория относительности, предложенная Альбертом Эйнштейном в 1915 году, описывает гравитацию как результат искривления пространства-времени под воздействием массы и энергии. Согласно ОТО, объекты в гравитационном поле движутся по геодезическим линиям — кратчайшим путям в искривленном пространстве-времени. ОТО прекрасно объясняет движение планет, кривизну света вблизи массивных объектов и существование чёрных дыр, однако на квантовом уровне ее предсказания начинают давать сбои.
В основе эксперимента лежит проверка принципа эквивалентности — ключевого положения ОТО, согласно которому гравитация и ускорение неразличимы. ОТО рассматривает гравитацию как искривление пространства-времени, однако некоторые квантовые теории гравитации предсказывают отклонения от этого принципа на микроскопических масштабах.
Для измерения этих отклонений используется параметр Этвеша — величина, показывающая степень соответствия между гравитационной и инерционной массой. В рамках эксперимента MICROSCOPE в 2022 году этот параметр был измерен с точностью до 10⁻¹⁵, но этого недостаточно, чтобы подтвердить или опровергнуть предсказания таких теорий, как теория струн, которые предполагают отклонения на уровне 10⁻¹⁸.
Проект Шахриара ставит цель довести точность измерений до уровня 10⁻²⁰ с помощью атомных интерферометров, использующих квантовую запутанность. В эксперименте будут применяться рубидиевые атомы, которые под действием лазеров будут разделяться на два луча, после чего попадут в состояние, аналогичное знаменитому мысленному эксперименту с котом Шредингера — одновременно в двух состояниях до момента наблюдения.
Шахриар и его команда разработали протокол “генерализованного квантового эха”, который позволяет удерживать это запутанное состояние достаточно долго для проведения точных измерений. Отклонения при воссоединении лучей позволят получить более точное значение параметра Этвеша и, возможно, доказать или опровергнуть существование квантовой гравитации.
Если эксперимент окажется успешным, разработанная технология — так называемый интерферометр атомов Шредингера — может найти применение и на Земле. По словам Шахриара, эти датчики будут в тысячи раз точнее современных акселерометров и гироскопов, используемых в системах навигации и управления.
Ранее ученые смогли “распутать” квантовую запутанность в сложных системах.