Можно ли с помощью LIGO проверить теорию квантовой гравитации?

Сабина Хоссенфельдер,

физик-теоретик, 

специализируется на квантовой гравитации и физике высоких энергий.

Starts with a Bang!

статья "Can LIGO test quantum gravity" в Forbes

Image Credit: SXS, the Simulating eXtreme Spacetimes (SXS) project (http://www.black-holes.org).

Не похоже, но и не исключено.

Общая Теория Относительности Эйнштейна предсказывает, что ускоряющиеся массы излучают гравитационные волны. На прошлой неделе было объявлено об открытии гравитационных волн экспериментом LIGO. Но это только начало - мы ждем еще много открытий, которые смогут подвергнуть теорию Эйнштейна проверкам со все увеличивающейся точностью. Что это может означать для физиков, которые занимаются поисками теории квантовой гравитации - все еще отсутствующего звена между общей  теорией относительности и квантовой механикой?

Image Credit: T. Pyle/Caltech/MIT/LIGO Lab.

Общая Теория Относительности - неквантовая теория, гравитационные волны были предсказаны независимо от попыток создать последовательную, квантовую теорию гравитации. Поэтому существование гравитационных волн можно объяснить и без квантовой гравитации. Однако, в общем случае, ожидается, что квантовая гравитация порождает "гравитоны", которые представляют собой квантованные гравитационные волны. Гравитон - частица, которая относится к гравитационным волнам так же, как фотон - к электромагнитным, это крошечная часть энергии, пропорциональной частоте волны. Свойства самих волн в контексте общей теории относительности дают нам все, что нужно для квантовой версии частицы гравитона: у нее нет массы, ее спин равен 2 (для сравнения: у фотона спин равен 1, у электрона 1/2, а у бозона Хиггса 0), и перемещается эта частица со скоростью света.

Гравитационная волна состоит из огромного количества гравитонов, но измерения их отдельных свойств крайне затруднительны и лежат далеко за пределами наших экспериментов. LIGO не может разрешить волны на гравитоны по той же причине, по которой антенна не может разделить электромагнитную волну на отдельные фотоны - ее детектор просто засыпается частицами, и не способен отделить крошечные порции энергии друг от друга. Если гравитоны существуют, LIGO может их обнаружить, но он не может выделить гравитоны из неквантованной гравитационной волны.

И хотя это и может нам что-то сказать про квантовую гравитацию, нельзя быть уверенными на 100% - поскольку самой теории квантовой гравитации еще не существует. И ответ на этот вопрос пока еще зависит больше от того, верите ли вы в эту теорию или нет.

В чем согласны почти все - влияние квантовой гравитации становится особо сильным  в областях с исключительно сильным искривлением пространства-времени. Но в сообществе квантовой гравитации "исключительно сильное искривление" значит искривление к центру черной дыры, а не на ее горизонте событий - там искривление считается сравнительно слабым. 

Слияние черных дыр - наподобие того, которое видел эксперимент LIGO - не может сказать, что же творится внутри черной дыры, и поэтому не пригоден для проверки эффектов сильных квантовых гравитационных полей.

Image Credit: Caltech/MIT/LIGO Lab, of the first gravitational wave signal as seen by both LIGO detectors.

Теоретики много спорят о том, что проявления квантовой гравитации могут быть и не такими уж маленькими вблизи горизонта событий. Такие идеи, как "шерсть", "брандмауэр" или "волосы черной дыры" влияют на горизонт черной дыры. В таких сценариях флуктуации квантовой гравитации могут оставлять следы в эмиссионных спектрах, что можно попробовать разглядеть при помощи LIGO или других экспериментов гравитационных волн.

В своей короткой заметке, опубликованной на arXiv на прошлой неделе, Стив Гиддингз (Steve Giddings) из Университета Калифорнии в Санта-Барбаре предлагает некоторые размышления на эту тему. Он спорит с тем, что отклонения у горизонта событий от общей геометрии черных дыр должны вести к сигналам гравитационных волн меньшей регулярности, но большей энергии, чем предсказывает общая теория относительности. Я уверена, что вместе с потоком новых данных последуют более точные предсказания.

Более того, любые отклонения от обшей теории относительности может дать нам намеки на то, как можно квантовать гравитацию. А поскольку гравитационные волны приходят из тех областей, которые раньше были для нас недоступны, это ведет к открытию совершенно новых фактов, что приводит к новым знаниям.

Динамика слияния черных дыр и того, как перемещаются гравитационные волны очень зависит даже от небольших отклонений в общей теории относительности (ОТО) - например, таких, как нарушения принципа эквивалентности, или вероятность того, что гравитация не совсем нулевой массы. Двумерная гравитация, модификация ОТО более высокого порядка, дополнительные взаимодействия в крупных масштабах или гравитационный эфир - все эти модели теперь нуждаются в дополнительных проверках. Несомненно, среди них будут определены победители (среди которых, скорее всего, окажутся те, чьи предсказания не сильно отличаются от предсказаний ОТО, и эти различия будет легко ликвидировать). И, вполне возможно, какая-то из них сможет даже превзойти Эйнштейна.

Кроме слияний черных дыр, LIGO может также обнаружить сигналы от странных объектов, которые невозможно будет соотнести ни с одной из теорий - например, таких, как космические струны. Космические струны - стабильные макроскопические одномерные объекты с высокой плотностью энергии, которые сформировались в ранней Вселенной, и все еще могут оставаться в ней и сейчас.

Images credit: Andrey Kravtsov (cosmological simulation, L); B. Allen & E.P. Shellard (simulation in a cosmic string Universe, R), via http://www.ctc.cam.ac.uk/outreach/origins/cosmic_structures_four.php.

Эти космические струны могут создавать пересечения, что заставляет их буквально взрываться гравитационными волнами. Если они еще и существуют сейчас, то могли бы рассказать нам про условия ранней Вселенной, в которых они формировались, и с их помощью можно проверить режимы очень высоких энергий, когда большую роль играли квантовая гравитация или теория великого объединения. Поэтому космические струны могут содержать информацию о фундаментальных вопросах физики. LIGO уже пытался найти космические струны, но потерпел неудачу. Увеличение его чувствительности в прошлом году позволяет надеяться на улучшение поиска этих объектов.

Image Credit: NASA Goddard Space Flight Center.

В заключение нужно отметить, что интерферометр гравитационных волн LIGO измеряет волны только определенного диапазона длин, а другие длины содержат могут содержать совершенно иную информацию о структурах Вселенной. Особенно интересно изучение доисторических гравитационных волн, которые существовали в ранней Вселенной - в них должно быть совершенно отчетливо видно квантовое поведение, обнаружение их поможет осуществить большой скачок в исследованиях. Объявление BICEP2 с последовавшим опровержением наглядно показало, что работа с ними по-настоящему тяжела, но измерения гравитационных волн еще пока делают первые шаги, и, несомненно, мы будем прилагать максимум усилий к накоплению этих новых данных.

Нет большой уверенности в том, что влияние квантовой гравитации можно будет измерить в ближайшем будущем, однако, всегда есть вероятность, что новые методы наблюдений принесут сюрпризы.

Не нужно витать в облаках, но и слишком приземлять их не следует.