Grawitacja spotyka światło
Grawitacja wpływa na wszystko, co istnieje – również na światło. To właśnie ten fakt stał się punktem wyjścia dla koncepcji zaproponowanej przez prof. Ralfa Schützholda z niemieckiego ośrodka Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf. Jego pomysł zakłada, że gdy fala świetlna (np. laserowa) spotyka falę grawitacyjną, może dojść do wymiany energii.
Jak miałoby to wyglądać w praktyce?
Światło może przekazać falom grawitacyjnym bardzo mały „pakiet” energii albo – w odwrotnym procesie – taki pakiet od nich otrzymać. Skutkiem byłaby minimalna zmiana częstotliwości światła oraz równie niewielkie „wzmocnienie” lub „osłabienie” fali grawitacyjnej.
Czym są grawitony?
W fizyce kwantowej oddziaływania opisuje się za pomocą cząstek pośredniczących. Dla elektromagnetyzmu są to fotony. Dla grawitacji – grawitony, cząstki hipotetyczne, których istnienie nie zostało jeszcze potwierdzone eksperymentalnie.
Według obliczeń Schützholda energia wymieniana między światłem a falami grawitacyjnymi odpowiadałaby energii jednego lub kilku grawitonów. Oznacza to, że takie doświadczenie mogłoby pośrednio testować teorie kwantowej grawitacji – jednego z największych wyzwań współczesnej fizyki.
Eksperyment w gigantycznej skali
Problem polega na tym, że opisywane efekty są niewiarygodnie małe. Aby je wykryć, potrzebny byłby interferometr o ogromnej czułości. W zaproponowanym scenariuszu impulsy laserowe byłyby odbijane między lustrami nawet milion razy, tworząc efektywną drogę optyczną o długości około miliona kilometrów – mimo że sam układ miałby „zaledwie” około kilometra długości.
Kluczowym narzędziem byłby interferometr, w którym dwie wiązki światła – w zależności od tego, czy pochłaniają, czy emitują grawitony – zmieniałyby swoją częstotliwość w nieco inny sposób. Po ponownym nałożeniu się fal powstałby charakterystyczny obraz interferencyjny, pozwalający odczytać ślad tej wymiany energii.
Inspiracja z LIGO
Choć brzmi to jak science fiction, idea nie jest całkowicie oderwana od rzeczywistości. Bardzo podobną zasadę działania wykorzystuje obserwatorium LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory), które już dziś mierzy zmiany długości ramion interferometru mniejsze niż rozmiar protonu.
To właśnie LIGO pokazało, że ekstremalnie precyzyjne pomiary są możliwe. W przyszłości podobna technologia – odpowiednio zmodyfikowana – mogłaby nie tylko rejestrować fale grawitacyjne, ale także aktywnie na nie oddziaływać.
W stronę kwantowej grawitacji
Jeszcze większe możliwości dałoby zastosowanie światła kwantowego, na przykład impulsów, w których fotony są splątane. Takie rozwiązanie mogłoby znacząco zwiększyć czułość pomiarów i pozwolić naukowcom wnioskować o stanie kwantowym pola grawitacyjnego.
Choć nawet wtedy nie byłby to bezpośredni dowód istnienia grawitonów, pozytywny wynik stanowiłby bardzo silny argument na rzecz teorii kwantowej grawitacji. Z kolei brak spodziewanych efektów oznaczałby, że obecne modele wymagają gruntownej rewizji.
Nauka na granicy możliwości
Od pomysłu do realizacji eksperymentu mogą minąć dziesięciolecia. Jednak historia fal grawitacyjnych pokazuje, że to, co dziś wydaje się niewykonalne, jutro może stać się przełomem. Nic dziwnego, że koncepcja „manipulowania” falami grawitacyjnymi za pomocą światła budzi ogromne zainteresowanie fizyków na całym świecie.
Być może właśnie w takich eksperymentach kryje się klucz do połączenia dwóch filarów współczesnej fizyki: ogólnej teorii względności i mechaniki kwantowej.
Źródło: Instytut Fizyki Teoretycznej w HZDR
