В 1956 году два радиотелескопа в Джодрелл-Бэнк уставились на Сириус, ловя не изображение, а дрожание интенсивности. Эксперимент Ханбери Брауна и Твисса (HBT) открыл удивительную вещь: корреляции приходящих фотонов способны рассказать о статистике источника — хаотичен ли он, как тепловая лампа, или когерентен, как лазер. Это было похоже на разгадывание характера танцора по ритму его шагов. Сегодня мы знаем, что сама Вселенная исполняет квантовый танец: реликтовые гравитоны — квантованные колебания пространства-времени, растянутые инфляцией (предсказанной Аланом Гутом) в первые доли секунды после Большого взрыва. Эти гравитоны не просто волны; они запутаны и сжаты, словно партнёры, связанные невидимыми нитями. Их танец сверхпуассоновский — с группировкой, более бурной, чем у обычного света. Возник соблазн: нельзя ли, подобно HBT, «сфотографировать» это представление, уловив его тень в свете фотонов?
В арсенале квантовой оптики есть мощный формализм, развитый Сержем Арошем для электродинамики резонаторов. Теоретики применили его к идеальной полости Фабри-Перо — двум зеркалам, между которыми заперта одна мода фотонов. Сквозь эту полость пропускают фоновый гравитационный шум, описываемый как тензорные возмущения в расширяющейся Вселенной, подчиняющейся закону Хаббла — открытию Эдвина Хаббла. Взаимодействие минимально и диктуется кривизной. Построив полный гамильтониан системы в приближении вращающейся волны, задачу свели к трём модам: одной фотонной и двум гравитонным с противоположными импульсами. Эволюцию во времени просчитали через операторы смещения и сжатия — математические преобразования, которые, грубо говоря, «растягивают» и «сжимают» квантовые флуктуации.
Главный итог расчётов оказался обескураживающе прост. Оператор числа фотонов коммутирует с полным гамильтонианом. На языке физики это означает: количество света в резонаторе остаётся неизменным, что бы ни делали гравитоны. Следовательно, любая корреляционная функция, измеряющая совпадения фотоотсчётов, факторизуется — она зависит лишь от того, в каком состоянии находилось поле изначально, но не от гравитационной статистики. Для степени когерентности второго порядка g(2) — того самого HBT-сигнала — получается выражение, в котором нет и следа гравитонов. Если резонатор возбуждён когерентным состоянием, g(2)=1; для хаотического света g(2)=2; для фоковского состояния g(2)<1. А сами гравитоны демонстрируют значение g(2) вплоть до 3 в пределе больших сжатий. Их танец остаётся без теней: корреляции интенсивности фотонов принципиально не «видят» квантовую природу гравитационного фона.
Этот жёсткий вывод закрывает один из привлекательных путей в квантовой гравитации. Даже безупречный резонатор не может сыграть роль посредника между нами и квантовым миром гравитации. Однако поиск не окончен. Будущие теоретические модели могут обойти запрет, вводя нелинейные связи — например, через тёмные фотоны или аксионные поля. Экспериментаторы, в свою очередь, обращают взор на поляризацию реликтового излучения и на прогресс в оптомеханике, где сверхчувствительные интерферометры, возможно, уловят отдельные гравитоны на высоких частотах. Танец гравитонов продолжается, и хотя его тени не падают на привычный свет, учёные ищут новые сцены, где квантовая хореография сможет наконец себя проявить.
Метод HBT изначально был предложен для измерения угловых размеров звёзд, а вовсе не для квантовых исследований. Лишь позже Рой Глаубер и Джордж Сударшан осознали его глубокую связь со статистикой фотонов.
В романе Карла Сагана «Контакт» герои анализируют статистику импульсов, чтобы выявить искусственное происхождение сигнала. Здесь же мы пытаемся уловить естественную квантовую метку в шуме Вселенной, но она ускользает — как тени от невидимых танцоров.