Убедительный экспериментальный намёк на квантовую природу гравитации

Изображение ранней Вселенной как состоящей из квантовой пены, где квантовые флуктуации велики, разнообразны и важны на самых малых масштабах. На этих масштабах флуктуации положительной и отрицательной энергии могут соединяться друг с другом, порождая крошечные квантовые червоточины. Во время космической инфляции эти флуктуации велики по амплитуде, а экспоненциальное расширение пространства способно растянуть их до крупных, вплоть до космологических, масштабов. Источник: NASA/CXC/M. Weiss — Изображение ранней Вселенной как состоящей из квантовой пены, где квантовые флуктуации велики, разнообразны и важны на самых малых масштабах. На этих масштабах флуктуации положительной и отрицательной энергии могут соединяться друг с другом, порождая крошечные квантовые червоточины. Во время космической инфляции эти флуктуации велики по амплитуде, а экспоненциальное расширение пространства способно растянуть их до крупных, вплоть до космологических, масштабов. *Источник: NASA/CXC/M. Weiss*

На фундаментальном уровне никто не знает, является ли гравитация по-настоящему квантовой. Новый эксперимент убедительно намекает на то, что всё-таки является…

Итан Сигел, 12 августа 2026г.

Ключевые тезисы:

Три из четырёх фундаментальных взаимодействий природы (электромагнитное, сильное и слабое ядерные) заведомо являются квантовыми.
Однако древнейшее из известных фундаментальных взаимодействий, гравитация, изучено лишь в рамках общей теории относительности Эйнштейна, то есть классической непрерывной теории.
Продемонстрировав, что частицы проявляют эффект Ааронова-Бома для гравитационного взаимодействия, ранее наблюдавшийся лишь для электромагнитного, мы, возможно, получили первую улику в пользу квантовой природы гравитации.

Если разложить материю нашей Вселенной до мельчайших, фундаментальных субатомных составляющих, обнаружится, что всё состоит из отдельных квантов, каждый из которых одновременно обладает свойствами и волны, и частицы. Если пропустить такую квантовую частицу через две щели и не фиксировать, через какую именно щель она прошла, квант будет вести себя как волна, интерферируя сам с собой на пути и оставляя нам лишь вероятностный набор исходов для описания его конечной траектории. Только произведя наблюдение, мы можем определить, где именно частица находится в каждый момент времени.

Это странное, неопределённое поведение было тщательно исследовано, изучено и охарактеризовано для трёх фундаментальных взаимодействий: электромагнитного, а также сильного и слабого ядерных. Однако в отношении гравитации оно ни разу не было проверено, гравитация остаётся единственным взаимодействием, для которого существует лишь классическое описание в виде общей теории относительности Эйнштейна. Хотя множество остроумных экспериментов пытались выявить, требуется ли квантовое описание гравитации для объяснения поведения фундаментальных частиц, ни один из них так и не принёс окончательных результатов.

Тем не менее, давно известное квантовое явление, эффект Ааронова‑Бома, долгое время считалось применимым только к электромагнетизму. Однако эксперимент 2022 года продемонстрировал, что он имеет место и для гравитации, и это самый сильный намёк на то, что гравитация по своей природе квантовая. Этот крайне недооценённый результат может стать нашей главной уликой в понимании истинной природы слабейшего взаимодействия во Вселенной.

Квантовая гравитация пытается объединить общую теорию относительности Эйнштейна с квантовой механикой. Квантовые поправки к классической гравитации визуализируются как петлевые диаграммы, одна из которых показана здесь белым цветом. Альтернативная позиция в том, что, возможно, гравитация всё же классическая и непрерывная, и модификации требует квантовая теория поля, а не общая теория относительности. Фундаментальная несовместимость между квантовой физикой и общей теорией относительности давно признана, но до сих пор удовлетворительно не разрешена. Источник: SLAC National Accelerator Laboratory — Квантовая гравитация пытается объединить общую теорию относительности Эйнштейна с квантовой механикой. Квантовые поправки к классической гравитации визуализируются как петлевые диаграммы, одна из которых показана здесь белым цветом. Альтернативная позиция в том, что, возможно, гравитация всё же классическая и непрерывная, и модификации требует квантовая теория поля, а не общая теория относительности. Фундаментальная несовместимость между квантовой физикой и общей теорией относительности давно признана, но до сих пор удовлетворительно не разрешена. *Источник: SLAC National Accelerator Laboratory*

Квантовый вопрос в основе реальности

В мире квантовой физики не много экспериментов столь наглядно демонстрируют причудливую природу реальности, как эксперимент с двумя щелями. Впервые проведённый с фотонами более 200 лет назад, он заключался в пропускании света через две тонкие, близко расположенные щели. Результатом оказались не две освещённые «полосы» на экране за щелями, как можно было бы ожидать, если бы свет был просто пучком, а интерференционная картина. Свет, прошедший через каждую из двух щелей, должен каким-то образом взаимодействовать и интерферировать, прежде чем достигнет экрана, создавая картину, демонстрирующую волновую природу света.

Позднее та же интерференционная картина была получена не только для света, но и:

для пучков электронов,
для квантов, идентифицированных как фотоны,
для одиночных фотонов, даже когда они проходили через щели по одному,
для одиночных электронов и даже составных частиц (например, атомных ядер), опять-таки по одному за раз.

Пока мы не измеряем, через какую щель проходит квантовая частица, волновое поведение наблюдается. Это свидетельство контринтуитивной, но совершенно реальной квантово-механической природы системы: каким-то образом отдельный квант способен проходить «через обе щели одновременно» и должен интерферировать сам с собой.

Диаграмма, восходящая к работам Томаса Юнга начала 1800-х годов, — одна из старейших иллюстраций усиливающей и гасящей интерференции, возникающей от волновых источников в двух точках: A и B. Физически это идентичная схема эксперименту с двумя щелями, хотя она в равной мере применима и к волнам на поверхности воды в ванне. Отметки C, D, E и F соответствуют 100%-ной гасящей интерференции. Источник: Thomas Young & Sakurambo/Wikimedia Commons — Диаграмма, восходящая к работам Томаса Юнга начала 1800-х годов, — одна из старейших иллюстраций усиливающей и гасящей интерференции, возникающей от волновых источников в двух точках: A и B. Физически это идентичная схема эксперименту с двумя щелями, хотя она в равной мере применима и к волнам на поверхности воды в ванне. Отметки C, D, E и F соответствуют 100%-ной гасящей интерференции. *Источник: Thomas Young & Sakurambo/Wikimedia Commons*

И всё же, если мы измеряем, через какую щель проходят кванты, интерференционная картина исчезает полностью. Вместо неё мы получаем просто две полоски «сгустков» на дальней стороне экрана, соответствующих набору квантов, прошедших через щель №1 и щель №2 соответственно.

Это необычайный, странный результат, затрагивающий самую суть того, что делает квантовую физику столь необычной и столь мощной. Нельзя просто приписать определённые величины, «положение» и «импульс», каждой частице, как это делалось бы в классическом, доквантовом описании. Вместо этого положение и импульс необходимо рассматривать как квантово-механические операторы: математические функции, которые «действуют» не на подобный частице объект, а на квантовую волновую функцию.

Когда мы «применяем оператор» к волновой функции, мы получаем вероятностный набор исходов того, что возможно наблюдать. Когда же мы производим наблюдение, то есть когда заставляем наблюдаемый квант взаимодействовать с другим квантом, чьи эффекты мы затем измеряем, мы можем получить лишь единственное значение, соответствующее нашему измерению системы.

Если мы измеряем, через какую щель проходит электрон (или фотон) в эксперименте с двумя щелями, по одному за раз, мы не получаем интерференционную картину на экране. Вместо этого электроны ведут себя не как волны, а как классические частицы. Аналогичный эффект наблюдается и в экспериментах с одной щелью (слева). Источник: InductiveLoad/Wikimedia Commons — Если мы измеряем, через какую щель проходит электрон (или фотон) в эксперименте с двумя щелями, по одному за раз, мы не получаем интерференционную картину на экране. Вместо этого электроны ведут себя не как волны, а как классические частицы. Аналогичный эффект наблюдается и в экспериментах с одной щелью (слева). *Источник: InductiveLoad/Wikimedia Commons*

Предположим, мы проводим этот эксперимент с электронами — частицами, обладающими фундаментальным отрицательным электрическим зарядом, и пропускаем их через щели по одному. Если мы измеряем, через какую щель проходит электрон, легко описать электрическое поле, создаваемое электроном при прохождении через эту щель: электрон ведёт себя как частица, и мы знаем, как ведут себя электрические поля, создаваемые частицами.

Что же происходит, если мы не производим такое измерение? Оказывается, даже если электрон проходит через обе щели одновременно (один из способов интерпретации того, как волновая функция электрона интерферирует сама с собой, порождая интерференционную картину), мы всё равно можем описать электрическое поле, которое создаёт даже одиночный электрон с неопределённым положением. Причина в том, что не только отдельные частицы или волны являются квантовыми по природе, но и физические поля, пронизывающие всё пространство, также квантовые по природе: они подчиняются правилам квантовой теории поля.

Для электромагнитного взаимодействия, а также для сильного и слабого ядерных взаимодействий предсказания квантовой теории поля были многократно проверены и подтверждены. Согласие между теоретическими предсказаниями и результатами экспериментов, измерений и наблюдений впечатляет: во многих случаях оно лучше, чем одна часть на миллиард. Для этих трёх взаимодействий Вселенная действительно квантовая по своей природе.

Однако если задать вопрос: «Что происходит с гравитационным полем электрона, когда он проходит через две щели?», мы будем разочарованы. Теоретически, без работающей квантовой теории гравитации, мы не можем сделать надёжного предсказания какого-либо типа; мы можем лишь предположить в общем виде, что результат должен отличаться от детерминированного, точечного эффекта, предсказываемого теориями Эйнштейна и Ньютона. Экспериментальное обнаружение такого эффекта далеко за пределами наших нынешних возможностей. На данный момент мы не знаем, является ли гравитация по своей сути квантовым взаимодействием, поскольку ни один эксперимент или наблюдение не смогли произвести столь важное и критическое измерение.

Электроны проявляют как волновые, так и корпускулярные свойства и могут использоваться для построения изображений или исследования размеров частиц так же хорошо, как свет. Здесь показаны результаты эксперимента, в котором электроны выстреливались по одному через две щели. После того как было выпущено достаточное количество электронов, проявилась отчётливая интерференционная картина. Источник: Thierry Dugnolle/Wikimedia Commons — Электроны проявляют как волновые, так и корпускулярные свойства и могут использоваться для построения изображений или исследования размеров частиц так же хорошо, как свет. Здесь показаны результаты эксперимента, в котором электроны выстреливались по одному через две щели. После того как было выпущено достаточное количество электронов, проявилась отчётливая интерференционная картина. *Источник: Thierry Dugnolle/Wikimedia Commons*

Эффект Ааронова–Бома

Существует так много тонких квантовых эффектов, которые не только вытекают из имеющихся у нас уравнений, но и были физически подтверждены, что иногда трудно за ними всеми уследить. Например, в классической Вселенной, если заряженная частица движется, на неё могут влиять как электрические, так и магнитные поля.

Электрическое поле ускоряет заряженную частицу вдоль направления поля, прямо пропорционально напряжённости поля и заряду частицы, заставляя её ускоряться или замедляться.
Магнитное поле ускоряет заряженную частицу перпендикулярно как магнитному полю, так и направлению движения частицы, заставляя её отклоняться, но не увеличивать и не уменьшать свою скорость.

Если и электрическое, и магнитное поля равны нулю, электрон не будет ускоряться, он просто продолжит равномерное движение, как и следует из первого закона Ньютона.

Однако в квантовой Вселенной существует ещё один эффект, способный изменить поведение квантовой частицы, даже когда и электрическое, и магнитное поля равны нулю: эффект Ааронова–Бома. Ключ к его пониманию — соотношение между электрическим и магнитным полями и более абстрактными понятиями: электрическим и магнитным потенциалами.

Когда машина Вимшурста запущена в работу, она вызывает зарядку двух проводящих сфер противоположными зарядами. При превышении критического порога напряжения проскакивает искра, приводящая к пробою и обмену электрическими зарядами. Хотя напряжение, или электрический потенциал, нельзя увидеть, его эффекты можно измерить. Источник: Moses Nachman Newman, cca-4.0 int'l — Когда машина Вимшурста запущена в работу, она вызывает зарядку двух проводящих сфер противоположными зарядами. При превышении критического порога напряжения проскакивает искра, приводящая к пробою и обмену электрическими зарядами. Хотя напряжение, или электрический потенциал, нельзя увидеть, его эффекты можно измерить. *Источник: Moses Nachman Newman, cca-4.0 int’l*

Электрический потенциал в обычном понимании более известен как «напряжение». Изменения напряжения от одной области к другой создают электрические поля и заставляют течь электрические токи. Электрическое поле можно получить из электрического потенциала, просто взяв градиент, который описывает, как поле изменяется по направлениям в пространстве.

Магнитный потенциал несколько сложнее, поскольку не имеет столь привычного аналога, как напряжение, а также потому, что само магнитное поле возникает не из простого градиента, а из математической операции, называемой ротором (вихрем) векторного потенциала магнитного поля. На этом уровне достаточно знать, что электрический и магнитный потенциалы существуют и что различные виды «скоростей изменения» (или, в математическом смысле, производных) позволяют получить из них электрическое и магнитное поля.

Теперь самое интересное: в области пространства могут существовать ненулевые электрический и/или магнитный потенциалы даже там, где электрическое и магнитное поля равны нулю. Долгое время физики задавались вопросом, является ли потенциал реальной физической величиной, поскольку казалось, что только поля, а не потенциалы, влияют на движение частиц измеримым образом.

В классической физике это действительно так, но в квантовой физике — не всегда. В частности, потенциал поля взаимодействует с фазой волновой функции заряженной частицы, и если мы измеряем фазу этой заряженной частицы (что обычно делается с помощью интерференционных экспериментов), мы обнаруживаем, что она действительно зависит от электромагнитного потенциала, а не только от электрического и магнитного полей.

Эффект Ааронова–Бома заключается в том, что фаза частицы изменится при её движении вокруг области, содержащей магнитное поле, даже если само поле равно нулю повсюду, где присутствует частица. Фазовый сдвиг надёжно детектируется уже несколько десятилетий, что побуждает многих исследователей к расширению исходной физики, которая относилась только к электромагнитному взаимодействию. Источник: E. Cohen et al., Nature Rev. Phys., 2019 — Эффект Ааронова–Бома заключается в том, что фаза частицы изменится при её движении вокруг области, содержащей магнитное поле, даже если само поле равно нулю повсюду, где присутствует частица. Фазовый сдвиг надёжно детектируется уже несколько десятилетий, что побуждает многих исследователей к расширению исходной физики, которая относилась только к электромагнитному взаимодействию. *Источник: E. Cohen et al., Nature Rev. Phys., 2019*

Обычно эффект Ааронова–Бома измеряют, создавая цилиндрическую область пространства, содержащую значительное, но строго локализованное магнитное поле: это легко создать с помощью длинной катушки провода, называемой соленоидом. Затем заряженную частицу запускают в движение вокруг этого магнитного поля, но так, чтобы частица проходила только вокруг области с полем и не проникала внутрь неё.

Волновая функция всё равно испытывает фазовый сдвиг, который можно наблюдать экспериментально — и он наблюдался. Это справедливо, даже если электрическое и магнитное поля пренебрежимо малы за пределами локализованной области, а вероятность обнаружения частицы внутри области с полем также пренебрежимо мала. Может показаться, что это давно известная новость. В конце концов, оригинальная работа Ааронова и Бома датируется 1959 годом, а более ранняя статья Эренберга и Сидая предсказала тот же эффект ещё в 1949 году.

Однако тот же эффект, наблюдавшийся для магнитного потенциала, должен наблюдаться для любой силы, возникающей как следствие потенциала. Это включает не только электрическую силу и другие известные квантовые (сильное и слабое ядерные) взаимодействия, но и гравитационную силу. Если удастся разработать достаточно остроумную экспериментальную установку, должно стать возможным обнаружить свидетельства гравитационного эффекта Ааронова–Бома.

В мысленном эксперименте 2012 года был предложен новый способ проверки гравитационного эффекта Ааронова-Бома, основанный на лабораторной интерферометрии и различиях гравитационного потенциала, испытываемого частицей, движущейся по разным траекториям. Та же концепция, десятилетие спустя, была использована для беспрецедентного обнаружения гравитационного эффекта Ааронова-Бома. Источник: M. Hohensee et al., Phys. Rev. Lett., 2012 — В мысленном эксперименте 2012 года был предложен новый способ проверки гравитационного эффекта Ааронова-Бома, основанный на лабораторной интерферометрии и различиях гравитационного потенциала, испытываемого частицей, движущейся по разным траекториям. Та же концепция, десятилетие спустя, была использована для беспрецедентного обнаружения гравитационного эффекта Ааронова-Бома. *Источник: M. Hohensee et al., Phys. Rev. Lett., 2012*

А что с гравитацией?

Когда вы хотите экспериментировать с гравитационным взаимодействием, главная проблема всегда в том, что гравитационные эффекты чудовищно малы. Хотя люди многими десятилетиями разрабатывали эксперименты для обнаружения этого эффекта, огромный прорыв произошёл в 2012 году. Группа исследователей под руководством Майкла Хохензее предложила идею эксперимента, который осуществим на современном оборудовании.

Идея состояла в том, что можно создать ультрахолодные атомы и контролировать их движение с помощью импульсов лазерного луча, в том числе направлять их в область, где гравитационный потенциал (но не поле) отличается от других областей. Даже в областях, где гравитационная сила равна нулю (что можно устроить с помощью тщательной конфигурации), ненулевой потенциал всё равно может оказывать эффект. Если затем разделить один атом на две волны материи, поместить их в области с разными потенциалами и снова свести вместе, можно наблюдать интерференционную картину, измеряя их фазу и тем самым количественно определяя гравитационный эффект Ааронова-Бома.

Если эффект окажется ненулевым, он должен быть чисто квантовым явлением по своей природе. Только впервые это будет эффект, целиком зависящий от гравитационного взаимодействия, а не от какого-либо другого.

В эксперименте с атомным фонтаном атомы запускаются вертикально снизу, а тяжёлая масса расположена вверху вакуумных трубок. Лазерные импульсы применялись для разделения, перенаправления и рекомбинации волновых пакетов. Гравитационное влияние верхней массы по-разному действует на верхний и нижний атомы, позволяя интерферометру детектировать фазовые сдвиги от гравитационного эффекта Ааронова-Бома. Это гораздо более тонкий, но родственный эффект, имеющий прямое отношение к гравитационному красному смещению (смещению Эйнштейна). Источник: A. Roura, Science, 2022 — В эксперименте с атомным фонтаном атомы запускаются вертикально снизу, а тяжёлая масса расположена вверху вакуумных трубок. Лазерные импульсы применялись для разделения, перенаправления и рекомбинации волновых пакетов. Гравитационное влияние верхней массы по-разному действует на верхний и нижний атомы, позволяя интерферометру детектировать фазовые сдвиги от гравитационного эффекта Ааронова-Бома. Это гораздо более тонкий, но родственный эффект, имеющий прямое отношение к гравитационному красному смещению (смещению Эйнштейна). *Источник: A. Roura, Science, 2022*

Десять лет спустя группа под руководством Криса Оверстрита успешно провела эксперимент и измерила гравитационный эффект Ааронова-Бома. Как было опубликовано в выпуске Science от 13 января 2022 года, команда взяла несколько ультрахолодных атомов рубидия, привела их в состояние квантовой суперпозиции и заставила двигаться по двум различным траекториям внутри вертикальной вакуумной камеры. Поскольку вверху камеры находилась тяжёлая масса, но аксиально-симметричная и полностью вне самой камеры, она изменяла только гравитационный потенциал атомов, причём атом, достигавший более высокой траектории, испытывал большее изменение потенциала.

Затем атомы сводились вместе, и из полученной интерференционной картины возникал фазовый сдвиг. Величина измеряемого фазового сдвига должна соответствовать:

тому, насколько два атома удалены друг от друга,
тому, насколько близко каждый из них подходит к верхней части камеры,
и тому, присутствует ли внешняя масса, изменяющая гравитационный потенциал, или нет.

Проводя этот эксперимент многократно и при различных условиях, команда Оверстрита впервые смогла измерить фазовые сдвиги атомов и сравнить их с теоретическими предсказаниями для гравитационного эффекта Ааронова-Бома. И вот: эффект не только обнаружен, но и совпадение с теорией идеальное.

Красные точки данных, где каждая точка представляет среднее по меньшей мере 20 независимых прогонов, отображают измеренный фазовый сдвиг атомов под влиянием гравитационного эффекта Ааронова-Бома, а красная кривая показывает теоретические предсказания. Совпадение впечатляет. Источник: C. Overstreet et al., Science, 2022 — Красные точки данных, где каждая точка представляет среднее по меньшей мере 20 независимых прогонов, отображают измеренный фазовый сдвиг атомов под влиянием гравитационного эффекта Ааронова-Бома, а красная кривая показывает теоретические предсказания. Совпадение впечатляет. *Источник: C. Overstreet et al., Science, 2022*

Заключение

С учётом всего сказанного мы подходим к главному вопросу: доказывает ли обнаружение этого квантово-механического фазового сдвига, обусловленного гравитационным потенциалом, а не гравитационным полем и не любым из известных квантовых взаимодействий, квантовую природу гравитации?

К сожалению, это не доказывает данное утверждение, а лишь даёт намёк. Мы создали фазовый сдвиг, показали, как он накапливается благодаря гравитационному потенциалу, а не гравитационному полю, и измерили его в согласии с теоретическими предсказаниями с помощью атомной интерферометрии. Это устанавливает для гравитации то же самое, что ранее было установлено для электромагнетизма: демонстрацию того, что не просто гравитационная сила или поле реальны, но что сам гравитационный потенциал оказывает реальные физические эффекты на квантово-механические свойства системы.

Это замечательное достижение. Однако анализ применим к любому взаимодействию или полю, выводимому из потенциала: как к квантовому, так и к классическому. (Квантовой по природе является лишь сама частица — в данном случае атом рубидия.) Это огромный триумф квантовой механики в условиях гравитации, но этого всё же недостаточно, чтобы продемонстрировать квантовую природу самой гравитации. Возможно, когда-нибудь мы до этого дойдём. А пока поиск более глубокого понимания самой гравитации продолжается.

Эта статья впервые была опубликована в январе 2022 года. Обновлена в августе 2026 года.

ссылка на оригинал статьи https://habr.com/ru/articles/1075516/