Od teoretycznej mrzonki do laboratoryjnego wyzwania
Przez dekady detekcja pojedynczego grawitonu uchodziła nie za trudną, ale za fizycznie niemożliwą. Oddziałują one z materią tak niezmiernie rzadko, że pomysł ich zaobserwowania wydawał się absurdalny. Problem traktowano jako czysto koncepcyjny, nie wart poważnych rozważań eksperymentalnych. Kluczowe okazały się dwa postępy, które zbiegły się w czasie. Po pierwsze, od 2015 roku regularnie rejestrujemy fale grawitacyjne, czyli zmarszczki czasoprzestrzeni powstające podczas kosmicznych kataklizmów.
Po drugie, inżynieria kwantowa poczyniła ogromne kroki. Fizycy nauczyli się schładzać i precyzyjnie kontrolować coraz większe obiekty, utrzymując je w stanach kwantowych. W 2022 roku laboratorium Jacka Harrisa z Yale zademonstrowało kontrolę nad pojedynczymi kwantami drgań w układzie z nadciekłego helu o masie przekraczającej nanogram. To w skali kwantowej prawie masa galaktyki. Połączenie tych dziedzin dało iskrę nadziei. Jak wyjaśniają eksperci, przechodząca fala grawitacyjna może przekazać dokładnie jeden kwant energii, a więc właśnie grawiton, do odpowiednio przygotowanego, masywnego układu kwantowego. Powstała w ten sposób mikroskopijna zmiana stała się w teorii mierzalna.
W pułapce z nadciekłego helu
Sercem planowanego detektora jest rezonator wielkości około centymetra, wypełniony nadciekłym helem. Układ jest schładzany do stanu, w którym jego wewnętrzne drgania są zredukowane niemal do zera: do kwantowego stanu podstawowego. Tylko taki „wyzerowany” system może zarejestrować niesłychanie subtelne zaburzenie. Gdy przez laboratorium przewinie się fala grawitacyjna, na przykład ze zderzenia gwiazd neutronowych, może przekazać rezonatorowi minimalny pakiet energii. To właśnie miałby być pojedynczy grawiton. Energia ta przekształci się wewnątrz helu w fonon, czyli kwantową jednostkę drgania. W uproszczeniu: będzie to jak pojedyncze „uderzenie” w kwantowy bęben. Do zmierzenia tych nieprawdopodobnie małych wibracji naukowcy zamierzają użyć ultraprecyzyjnych laserów. Brzmi jak proste liczenie przechodniów, lecz wyzwanie jest kolosalne. Grawitony słyną z tego, że niemal nie „dotykają” zwykłej materii.
Mamy już niezbędne narzędzia. Potrafimy wykrywać pojedyncze kwanty w makroskopowych systemach kwantowych. Teraz to kwestia skalowania – przyznaje Jack Harris z Yale University
I tu tkwi sedno pomysłu. Skoro grawiton tak skutecznie omija atomy, trzeba wystawić na jego drogę jak największy cel. Kluczowa jest masa. Eksperyment zacznie się od układów o masie rzędu grama, by docelowo sięgnąć nawet po kilogramowe rezonatory. To zasadnicza zmiana filozofii: zamiast próbować szukać igły w stogu siana, budujemy na jej drodze wielką, czułą ścianę. Konstrukcja opiera się na platformach opracowanych w laboratorium Harrisa, ale przesuwa je w nowy, niezbadany reżim parametrów.
Między optymizmem a wielkimi nadziejami
Ostatecznym celem jest oczywiście wielkie zjednoczenie: stworzenie teorii, która opisze jednocześnie grawitację rządzącą galaktykami i świat kwantów. Ogólna teoria względności mówi o grawitacji jako o krzywiźnie czasoprzestrzeni. Mechanika kwantowa wszystkie siły opisuje poprzez wymianę cząstek. Aby te perspektywy pogodzić, grawitacja również musiałaby mieć swoją cząstkę nośną, czyli grawiton.
Problem w tym, że przez dziesięciolecia była to wyłącznie gra teoretyczna, pozbawiona możliwości weryfikacji. Brak jakiegokolwiek eksperymentalnego punktu zaczepienia skutecznie blokował postęp w dziedzinie kwantowej grawitacji. Dzisiejsze pomysły są pierwszym realnym światełkiem w tym tunelu. Nawet jeśli bezpośrednie „złapanie” grawitonu okaże się niezwykle trudne lub odległe w czasie, sama ścieżka badawcza – łącząca detekcję fal grawitacyjnych z zaawansowaną inżynierią kwantową – jest niezwykle obiecująca. Może przynieść przełomowe techniki pomiarowe i głębsze zrozumienie granic między światem klasycznym a kwantowym.