Может ли гравитация создавать квантовую запутанность, если она не является полностью квантовой?

Предстоящие экспериментальные проверки квантовости гравитации направлены на решение одного из самых важных вопросов в физике, но теоретики обнаруживают, что эта проблема может быть даже сложнее, чем они думали.

Десятилетние поиски понимания взаимодействия квантовой физики и гравитации, возможно, стали ещё сложнее. Долгое время считалось, что гравитация, возможно, должна быть квантовой, то есть силой, переносимой квантовыми частицами, называемыми гравитонами. Но новые расчёты показывают, что квантовые явления могут возникать из-за гравитационных полей, которые сами по себе не являются полностью квантовыми.

Многие физики считают, что на уровне мельчайших структурных элементов наш мир является квантовым. Это означает, что объекты состоят из квантовых частиц, а силы, действующие на эти объекты, такие как сильное и слабое взаимодействия, электромагнитное взаимодействие и гравитация, переносятся квантовыми частицами. Мы знаем, какие частицы переносят первые три из этих взаимодействий, но гравитация – фундаментальная сила, проистекающая из самой формы нашего пространства-времени, – до сих пор не поддавалась такому квантованию.

Чтобы исправить это, исследователи ищут гравитоны и проводят эксперименты, чтобы найти признаки того, что гравитация создает неразрывную и фундаментально квантовую связь между частицами, называемую запутанностью.

Ричард Хоул и Джозеф Азиз из Лондонского университета обнаружили, что вопрос квантовости гравитации может быть не таким уж простым.

Они начали свой математический анализ с гравитационного поля – карты гравитационной силы, которую испытывает любой объект, обладающий массой, в любой точке пространства. Важно отметить, что анализируемое ими поле не имело квантовой природы. Это поле не могло принять состояние квантовой суперпозиции, в котором оно могло бы одновременно обладать более чем одним квантовым свойством, и мы не могли однозначно определить, какое из них является его истинностью.

Затем они подключили это неквантовое поле к полному математическому аппарату квантовой теории поля. Используя эту модель для расчёта взаимодействия двух объектов, обладающих массой, они обнаружили, что иногда гравитационное поле может вызывать эффект, приводящий к их квантовой запутанности.

Хаул объясняет это тем, что два объекта могут обмениваться «виртуальной материей», возникающей из гравитационного поля. Это не является чем-то необычным в физике полей — это похоже на эффект, наблюдаемый в электромагнитных полях, где объекты обмениваются виртуальными частицами света, или виртуальными фотонами. Они оказывают тот же эффект, что и реальные фотоны, но их невозможно измерить. Но есть одно важное отличие: известно, что электромагнитное поле является квантовым. Поскольку Азиз и Хаул сформулировали своё гравитационное поле как неквантовое, и в этой картине нет гравитонов, что их открытие говорит о квантовости гравитации?

«Если бы нас спросили, является ли гравитация квантовой или классической, то, полагаю, мы бы заявили, что этот вопрос не имеет однозначного ответа», — говорит Хоул. Другими словами, даже не будучи явно квантованным, гравитационное поле может не исключать все квантовые явления.

По словам Маркуса Аспельмейера из Венского университета в Австрии, расчёты группы добавляют нюансы к тому, как следует интерпретировать эксперименты, направленные на диагностику квантовой природы гравитации. «Они говорят: смотрите, если вы проводите эксперимент и видите запутанность при гравитационном взаимодействии двух частиц, то на самом деле существует параметрический режим, в рамках которого может быть другое объяснение, не основанное ни на каких предположениях о квантовой гравитации. Это очень, очень интересное открытие», — говорит он.

Это можно интерпретировать как новый взгляд на гравитацию, но также можно рассматривать как отдельный эффект от гравитации. В этом случае гравитационное поле будет лишь влиять на силу взаимодействия, но не будет его причиной, говорит Джонатан Оппенгейм из Университетского колледжа Лондона.

Аналогичным образом, Сугато Бозе из Университетского колледжа Лондона утверждает, что обмен виртуальной материей качественно отличается от обмена виртуальными гравитонами, который является традиционным представлением о квантовой гравитации. По его мнению, исследование открыло новый способ взаимодействия массивных тел, отличный от гравитации.

Новый эффект будет наиболее заметен для объектов с массой, значительно превышающей ту, что используется в экспериментах, проводимых в настоящее время для полного изучения квантовой гравитации. Бозе, инициировавший некоторые из этих экспериментов, утверждает, что нет никаких шансов, что этот новый эффект проявится там как ложный сигнал.

Кроме того, Аспельмейер утверждает, что для чрезвычайно малых масс — например, микроалмазов весом всего в одну квадриллионную килограмма — объяснение запутанности с помощью классической гравитации по-прежнему невозможно. Поэтому новая работа не отрицает необходимости квантовой теории гравитации, говорит он: «Эта дверь не закрыта».

К счастью, понимание того, что за этим стоит, уже не за горами. В какой-то момент могло показаться, что прямая проверка идей о квантовой гравитации невозможна, но теперь, по словам Азиза, у конкретных экспериментов есть шанс в течение десятилетия пролить свет на реальные вещи. «Интерес к этим экспериментам побудил людей внимательнее изучить фундаментальные причины, лежащие в их основе», — говорит он.

Природа DOI: 10.1038/s41586-025-09595-7

Источник: www.newscientist.com