Nový experiment by mal umožniť ovplyvňovať gravitačné vlny pomocou lasera

KĽÚČOVÉ ZISTENIA:

• Návrh využíva interferometer podobný LIGO, no aktívne.

• Cieľom je zachytiť stopy výmeny energie s gravitačnými vlnami.

• Prelomom môžu byť previazané fotóny v svetelných pulzoch.

Gravitačné vlny sme sa doteraz snažili „zachytávať“, nie ich ovplyvňovať. Práve na túto hranicu mieri koncept teoretického fyzika Ralfa Schützholda z Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf, ktorý navrhuje experiment so svetlom schopný odhaliť signatúry stimulovanej emisie alebo absorpcie gravitačných kvánt – gravitónov – v prostredí prechádzajúcej gravitačnej vlny.

Kľúčová myšlienka stojí na analógii so svetom elektromagnetizmu. V histórii fyziky bol zlomom moment, keď sa prírodný jav prestal len pozorovať a začal sa kontrolovane využívať, napríklad pri elektrine.

Schützhold vo svojej práci navrhuje podobný posun pri gravitačných vlnách: namiesto pasívneho merania drobných deformácií priestoru skúsiť nastaviť optickú geometriu tak, aby sa na merateľný signál premenila samotná výmena energie medzi gravitačným a elektromagnetickým poľom.

V centre návrhu je Sagnacova geometria, teda interferometer, v ktorom sa svetlo rozdelí na dve protibežné vetvy a potom sa opäť spojí. Pri správnom usporiadaní by gravitačná vlna spôsobila, že tieto dve svetelné vetvy získajú nepatrne odlišnú zmenu frekvencie – podľa toho, či v interakcii „priberú“ energiu alebo ju „odovzdajú“ späť. Keď sa lúče znovu stretnú, rozdiel sa prejaví v interferenčnom obraze.

Na prvý pohľad to znie až príliš ambiciózne, pretože gravitačné pôsobenie je extrémne slabé. Presne túto slabosť pozná každý, kto si spomenie na LIGO: detektor s dvoma ramenami dlhými približne 4 000 m zachytáva prechod gravitačných vĺn zmenami dĺžok ramien na úrovni niekoľkých 10⁻¹⁸ m.

To je mierka, pri ktorej sa bežná intuícia rozpadá, no interferometria stále dokáže vytiahnuť signál z šumu. Schützholdov prístup sa však nesnaží „vyrobiť“ gravitačnú vlnu z laboratória, čo by bolo prakticky nemožné. Namiesto toho chce využiť už existujúce gravitačné vlny podobné tým, ktoré sa detegujú astronomicky, a do nich posielať svetelné pulzy tak, aby sa maximalizovala možnosť prenosu energie.

V práci to prirovnáva k „optickej Weberovej tyči“ – historickým resonančným anténam gravitačných vĺn – len s tým rozdielom, že tu hrá aktívnu úlohu vysoko excitovaný optický signál. Zaujímavé je, že autor explicitne pracuje s pojmom „stimulovaná emisia alebo absorpcia gravitónov“.

Nie je to priamy dôkaz existencie gravitónu v zmysle „videli sme časticu“, ale je to návrh na hľadanie stôp, ktoré by sa dali interpretovať ako kvantovaná výmena energie gravitačného poľa. Ak by sa očakávané interferenčné efekty pri interakcii svetla s gravitačnou vlnou neobjavili, znamenalo by to problém pre modely, ktoré s takouto kvantizáciou v danom režime počítajú.

Jedným z praktických háčikov je, že efekt na frekvenciu svetla má byť extrémne malý. Preto návrh stavia na „prefíkanom“ usporiadaní, kde sa rozdiely v dvoch dráhach svetla porovnávajú a skladajú tak, aby sa dali oddeliť od bežných rušení.

V praxi to znamená zamerať sa na interferenčný obraz ako na zosilňovač rozdielu, nie na absolútnu zmenu jednej vetvy. Do hry vstupuje aj moderná kvantová optika. Schützhold navrhuje, že citlivosť by mohli zlepšiť svetelné pulzy s previazanými (entanglovanými) fotónmi, teda s kvantovo korelovanými stavmi.

Takéto stavy sa už dnes používajú v metrológii na posúvanie limitov merania, a v tomto prípade by mohli pomôcť rozlíšiť signál, ktorý by pri klasickom svetle zanikol. Autora zároveň zaujíma širší dopad: ak by sa podarilo stabilne pozorovať takúto výmenu energie, mohlo by to vytvoriť doplnkový spôsob detekcie gravitačných vĺn popri klasickej interferometrii.

Ešte dôležitejšie je, že by to otvorilo cestu k nepriamym informáciám o kvantovom stave gravitačného poľa, čo je dnes jedna z najtvrdších tém teoretickej fyziky. Treba však držať očakávania pri zemi.

Aj popularizačné správy k návrhu pripomínajú, že medzi nápadom a realizáciou často uplynú desaťročia, hoci v tomto prípade sa naznačuje, že podobnosť s existujúcimi gravitačno-vlnovými observatóriami by mohla cestu skrátiť. Zároveň ide o návrh, nie o hotový experimentálny výsledok, a jeho presvedčivosť sa bude lámať na tom, či sa dá dosiahnuť dostatočne stabilná optická konfigurácia a potlačiť rušenia.

PREČO JE TO DÔLEŽITÉ:

Ak sa gravitačné vlny dajú „prinútiť“ zanechať kvantovú stopu v svetle, otvára sa nový kanál merania aj testovania kvantovej gravitácie v režime, ktorý je dnes prakticky nedostupný.

^{Zdroj: hzdr.de foto:  B. Schröder/HZDR}