Открытие «частицы, похожей на гравитон» — что это значит? Объясняет Алексей Семихатов

доктор физико-математических наук, заведующий лабораторией, Физический институт им. Лебедева РАН:

Гравитация — одно из фундаментальных взаимодействий в природе, дальнодействующая сила: далекие объекты притягиваются друг к другу. Это роднит гравитацию с электромагнетизмом, но природа у них разная, и гравитация устроена сложнее.

Наше лучшее на сегодняшний день понимание гравитации дает Общая теория относительности. Однако эта теория никак не учитывает квантовые эффекты, которые должны лежать в основе вещей. Построить полноценную теорию квантовой гравитации не удается в течение многих десятилетий, что даже порождает гипотезы о какой-то другой, не-квантовой, природе гравитации.

Тем не менее, если гравитация все же имеет квантовую природу, должно существовать самое слабое возможное возбуждение гравитационного поля. Его назвали гравитон. Его аналог в случае квантового электромагнитного поля — фотон, самая слабая возможнная порция света. Кстати, и фотоны, и гипотетические гравитоны распространяются со скоростью света. Но гравитон отличается от фотона по своим квантовым свойствам.

Одно из таких свойств — спин. Этим словом называются некоторые признаки («остатки») вращения, которые могут нести с собой кванты полей. Эти признаки не определяют какого-либо наглядного вращения из-за их квантовой природы в (например, квантовая механика не позволяет определить ось вращения — а попробуйте-ка себе представить вращение, не имеющее оси), но проявляют себя при взаимодействии с остальным миром (спин фотонов, например, известен как поляризация света). «Интенсивность» этого неполноценного квантового вращения выражают численно, говоря, что фотон несет спин 1, а гравитон — спин 2 (для сравнения, спин электрона равен 1/2).

Уравнения для гравитонов, распространяющихся в космосе, известны; здесь еще не проявляют себя сложности построения полноценной квантовой гравитации (они наступают при учете взаимодействия гравитонов друг с другом — свойство, которым не обладают фотоны).

В последние десятилетия исследователи уделяют внимание тому обстоятельству, что уравнения, управляющие фундаментальными полями, могут, по совпадению, управлять возбуждениями определенного вида в условиях конденсированного состояния вещества — в твердых телах и специальных жидкостях. Вещи вокруг нас состоят из огромного количества электронов и атомных ядер. Все они, конечно, подчиняются законам квантовой механики, но когда вместе их собрано очень много, на первый план могут выходить эффекты, определяемые их коллективным поведением. Широко известный пример коллективного эффекта — сверхпроводимость.

Самые слабые возможные коллективные возбуждения по законам квантовой механики ведут себя в чем-то похоже на частицу, распространяющуюся по среде. Примером являются самые слабые «порции» звука — фононы — возбуждения среды, которые переносят энергию подобно тому, как это делают элементарные частицы. Последним никакая среда не требуется, и они существуют «сами по себе», тогда как коллективные возбуждения в конденсированном состоянии существуют только в определенном диапазоне условий. Это, как правило, весьма специальные условия, требующие наличие низких температур, магнитного поля, а в ряде случаев еще и ограничения двумя измерениями (в тонких пленках или, при определенных условиях, на поверхности образца).

В зависимости от этих условий, в конденсированном состоянии вещества могут возникать возбуждения, которые подчиняются тем же уравнениям, что и кванты некоторых фундаментальных полей. Похожим образом в твердом теле «моделируют», например, черные дыры. Надо только помнить, что это именно модели, их родство с оригиналом поддерживается общими уравнениями — хотя и те требуют «настройки»: например, роль скорости света в твердом теле часто играет скорость звука (т.е. скорость распространения тех самых фононов). Общие законы квантовой механики разрешают коллективным возбуждениям не только переносить энергию и импульс (и, возможно, заряд), но и нести те же «признаки вращения».

Появление в твердом теле, в специально приготовленных условиях, коллективного возбуждения, обладающего спином 2, позволило говорить о нем как об аналоге гравитона.

Все наблюдения подобных возмущений интересны в первую очередь с точки зрения того, как именно организует себя коллектив из огромного числа квантовых участников, где бессмысленно (и невозможно) следить за каждым по отдельности — такие наблюдения подсказывают нам возможные способы описания сложных взаимодействующих систем.

С экспериментальной точки зрения такие наблюдения далеко не просты, многие из них лежат на переднем крае технологий и искусства экспериментаторов — из-за необходимости поддерживать специальные условия, из-за слабости самих эффектов и из-за трудности их надежной фиксации. Аналогии между коллективными эффектами и поведением фундаментальных составляющих материи могут в ряде случаев моделировать в лаборатории такие явления, которые не в наших силах организовать на фундаментальном уровне. Кроме того, такие аналогии подчеркивают универсальность квантого поведения и могут способствовать обмену знанием между различными ветвями физики (скажем, если методы для работы со сложными уравнениями уже придуманы, то не надо тратить силы на их повторное изобретение).

Но следует помнить, что родство между двумя группами явлений поддерживается совпадением уравнений, причем в конденсированном состоянии определенные уравнения применимы только в определенных, специально созданных режимах. Наблюдавшиеся возбуждения со спином 2 можно уподобить «половине» гравитона: такие возбуждения несут половину степеней свободы, которыми обладает настоящий безмассовый квант спина 2. Если такие возбуждения достаточно устойчивы, можно интересоваться тем, как они взаимодействуют: здесь нет гарантии, что параллели с настоящей гравитацией будут сохраняться, но не исключено и прояснение каких-либо интересных свойств такого взаимодействия.