Невзаимность в поляризации фотонов может раскрыть связь гравитации и квантовой механики
Группа физиков под руководством Уорнера А. Миллера из Флоридского Атлантического университета в сотрудничестве с корейскими коллегами из Сеульского университета и Сеульского национального университета совершила прорыв в исследовании одной из самых сложных проблем современной физики — объединения общей теории относительности Эйнштейна, описывающей гравитацию в макромасштабах, и квантовой механики, управляющей поведением элементарных частиц. Их работа, опубликованная в Scientific Reports, предлагает новый метод изучения этой связи через анализ поляризации света в искривленном пространстве-времени.
Невзаимность света и гравитация
Ключевым открытием стал феномен невзаимности света — явления, при котором поляризация света (направление колебаний электромагнитной волны) изменяется необратимо при прохождении замкнутого пути в гравитационном поле. В отличие от стандартного гравитационного воздействия, где свет, возвращаясь по тому же пути, компенсирует изменения поляризации, здесь этого не происходит. Это противоречит классическим ожиданиям и указывает на возможное квантово-гравитационное взаимодействие.
Ученые установили, что эффект можно усилить в 10 раз по сравнению с обычным гравитационным влиянием (например, вблизи черной дыры), если правильно выбрать ось квантования — угол, под которым поляризатор измеряет свет. Это открывает путь к экспериментальному обнаружению крайне слабых эффектов, ранее считавшихся ненаблюдаемыми.
Экспериментальные предложения
Для проверки гипотезы команда предложила два инновационных подхода:
- Космический интерферометр — система спутников с высокоточными поляризаторами, способная фиксировать малейшие изменения поляризации света в условиях сильного гравитационного поля (например, вблизи компактных объектов).
- Лабораторные установки, комбинирующие интерферометры Маха–Цендера и схему Хонга–Оу–Манделя, известные способностью изолировать квантовые эффекты от шума.
Эти эксперименты могут не только подтвердить невзаимность, но и проверить фундаментальные принципы, такие как принцип эквивалентности Эйнштейна, лежащий в основе общей теории относительности. Нарушение этого принципа могло бы указать на новые физические явления, включая проявления квантовой гравитации.
Значение для науки
Исследование Миллера и его коллег — это не просто новый экспериментальный метод, а новая парадигма в изучении взаимодействия квантовых систем с гравитацией. Невзаимность поляризации света может стать инструментом для:
- Исследования структуры пространства-времени в экстремальных условиях.
- Поиска отклонений от предсказаний классической физики.
- Тестирования теорий квантовой гравитации, таких как теория струн или петлевая квантовая гравитация.
Кроме того, возможность лабораторного моделирования эффекта ускорит прогресс, снижая зависимость от дорогостоящих космических миссий.
Работа демонстрирует, что даже хорошо изученные явления, такие как поляризация света, могут скрывать глубокие связи между гравитацией и квантовой механикой. Если предсказанная невзаимность будет подтверждена, это может стать первым шагом к созданию единой теории, объединяющей две фундаментальные парадигмы современной физики. Как отметил Уорнер Миллер, это «новый способ задавать самые глубокие вопросы» о природе Вселенной.