Koncepcja transferu energii między światłem a falami grawitacyjnymi
Źródłem fal grawitacyjnych są najpotężniejsze kosmiczne kataklizmy, takie jak zderzenia czarnych dziur czy kolizje gwiazd neutronowych. Albert Einstein przewidział ich istnienie ponad sto lat temu, lecz namierzyliśmy je dopiero w 2015 roku, dzięki obserwatorium LIGO. Od tamtej pory fizycy byli skazani na bierne odbieranie tych sygnałów. Ralf Schützhold z Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf proponuje zmianę tej sytuacji. Jego zespół opracował teoretyczną koncepcję, w której energia mogłaby być przenoszona pomiędzy wiązką laserową a falą grawitacyjną. W uproszczeniu, światło mogłoby albo przekazać energię fali, wzmacniając ją, albo ją odebrać, zmieniając przy tym swoją częstotliwość.
Czytaj też: Wysokie temperatury i niska emisja. Technologia, która może namieszać w fabrykach
Sukces tego pomysłu zależy od wykrycia niezwykle subtelnych zmian w świetle lasera. Przenoszona energia odpowiadałaby jednej lub kilku hipotetycznym cząstkom, czyli grawitonom, które miałyby przenosić oddziaływanie grawitacyjne. Dotąd nikt ich nie zaobserwował, a ich istnienie to jedna z największych zagadek fizyki. Eksperyment mógłby to zweryfikować, choć sceptycy mogą zauważyć, iż sam pomiar będzie nieprawdopodobnie trudny.
Milion kilometrów drogi światła w urządzeniu o długości kilometra
Realizacja tego pomysłu wymagałaby zbudowania interferometru o parametrach, które dziś brzmią jak science-fiction. Wiązka laserowa musiałaby odbijać się między dwoma lustrami oddalonymi o około kilometr nie raz, ale aż milion razy. Dzięki temu efektywna droga przebyta przez światło wyniosłaby milion kilometrów. To mniej więcej dwa i pół razy więcej niż dystans z Ziemi na Księżyc.
Konstrukcja przypominałaby działające obserwatorium LIGO, lecz precyzja pomiarów musiałaby być jeszcze wyższa. LIGO potrafi wykrywać zmiany długości rzędu attometrów, czyli jednej miliardowej miliardowej części metra. To tak, jakby zmierzyć odległość do najbliższej gwiazdy z dokładnością do grubości ludzkiego włosa. W nowym eksperymencie kluczowe byłoby wykrywanie minimalnych różnic w częstotliwościach dwóch wiązek światła, z których jedna miała oddziaływać z falą grawitacyjną. Czułość mogłoby zwiększyć wykorzystanie splątania kwantowego fotonów, tego samego „upiornego działania na odległość”, które niegdyś niepokoiło Einsteina.
Ostateczny sprawdzian dla kwantowej natury grawitacji
Sednem całego przedsięwzięcia jest odpowiedź na fundamentalne pytanie: czy grawitacja jest zjawiskiem kwantowym? Współczesna fizyka mierzy się z problemem połączenia ogólnej teorii względności, opisującej grawitację w skali kosmosu, z mechaniką kwantową, rządzącą światem cząstek. Te dwie potężne teorie jak dotąd nie chcą ze sobą współpracować. Proponowany eksperyment mógłby przynieść rozstrzygnięcie. Zaobserwowanie oczekiwanych efektów interferencyjnych byłoby mocnym argumentem za kwantową naturą grawitacji i istnieniem grawitonów. Brak takich efektów oznaczałby, że nasze obecne teorie wymagają gruntownej rewizji.
Czytaj też: Najdziwniejszy powrót do życia w kosmosie? To może być dopiero początek
Sam Schützhold podchodzi do tematu z dużą dozą realizmu. Przyznaje, że od koncepcji do gotowego eksperymentu może minąć kilkadziesiąt lat. Potrzebna technologia jest w powijakach, a koszty będą astronomiczne. Mimo to sam fakt, iż fizycy mają konkretny, choć niezwykle wymagający plan na aktywne badanie fal grawitacyjnych, jest znaczącym postępem w myśleniu o tej dziedzinie. Badanie w tej sprawie zostało zamieszczone w czasopiśmie Physical Review Letters.