Шум как улика: сколько помех выдаёт неквантованная гравитация
В тёмной комнате тикают невидимые часы. Их ход выдаёт себя только едва заметным дрожанием стрелок. Примерно так физики теперь пытаются расслышать, квантуется ли гравитация: не через прямой разговор с частицами-переносчиками, а через шум, который обязана оставлять любая теория, где гравитационное поле остаётся классическим.
Идея проста. Если гравитация не состоит из квантов, она должна вести себя как толпа, которая толкает предметы не идеально ровно, а с лёгкой дрожью. Эта дрожь и есть шум. Авторы новой работы построили общую математическую рамку, которая описывает такую дрожь для любых моделей без гравитонов. Они потребовали лишь трёх вещей: чтобы закон Ньютона выполнялся в среднем, чтобы эволюция не заглядывала в будущее и чтобы законы не менялись при равномерном движении. Из этих скромных условий выросла целая карта возможных шумов.
Порог этот не запределен. Для двух осцилляторов массой по миллиграмму на расстоянии миллиметра он соответствует ускорению около $10^{-18}$ м/с²/√Гц. Это в тысячу раз тише, чем уже умеет измерять космический аппарат LISA Pathfinder. Разница в три порядка звучит пугающе, но инженеры уже работают над датчиками с квантовым подавлением шума, и цель не выглядит фантастической.
Раньше подобные оценки делали в грубом приближении, считая шум гауссовым и не замечая, что он действует на обе массы согласованно. Новая работа впервые учитывает эти тонкости. Оказалось, что прежние расчёты занижали шум для одиночных масс. Теперь можно точно проверить конкретные модели. Например, классическо-квантовая гравитация Оппенгейма всегда даёт шум выше порога запутывания, а энтропийная гравитация, наоборот, запутывает, но её выдаёт особый узор корреляций.
Тиканье часов в тёмной комнате можно измерить, даже не видя самих часов. Так и здесь: не нужно напрямую наблюдать квантовую запутанность. Достаточно измерить шум и сравнить его с порогом. Если он окажется ниже, значит гравитация квантовая, и запутанность уже случилась. Если выше, можно вычёркивать целые семейства теорий. Экспериментаторам осталось лишь навострить слух.
Порог шума для миллиметровых масс всего в тысячу раз ниже того, что уже достигнут в космическом эксперименте LISA Pathfinder. То есть нужная чувствительность не фантастически далека, а находится в пределах инженерной досягаемости.
Идея, что гравитация может быть не квантовой, а стохастической, перекликается с романом Грега Игана «Лестница Шильда», где физика в разных областях пространства подчиняется разным правилам. Здесь же вопрос стоит о том, какие правила действуют в нашей Вселенной, и ответ может дать лабораторный шум.