Немецкий физик Герхард Шуцхольд (Ralf Schutzhold) разработал концепцию эксперимента, в котором свет и гравитационные волны обмениваются энергией, что открывает возможность для управления гравитационными волнами. Суть метода заключается в стимуляции испускания или поглощения гравитонов – гипотетических квантов гравитации – световыми волнами.
По теории Шуцхольда, гравитация воздействует на все формы энергии, включая электромагнитное излучение. Поэтому световая волна может передавать небольшую порцию энергии гравитационной волне, слегка усиливая её сигнал и одновременно уменьшая собственную энергию. Эта потеря энергии проявляется как незначительное изменение частоты света, соответствующее испусканию одного или нескольких гравитонов в гравитационную волну. Процесс может идти и в обратную сторону: гравитационная волна передаёт энергию свету.
Расчёты показывают, что для обнаружения такого испускания и поглощения гравитонов потребуется очень большая интерферометрическая установка, использующая интенсивные лазерные импульсы в видимом или ближнем инфракрасном диапазоне. В одной из конфигураций импульсы должны отражаться между двумя зеркалами до миллиона раз в системе длиной около 1 километра, создавая эффективную оптическую длину пути около миллиона километров.
Иллюстрация: Nano Banana
Изменение частоты световой волны, вызванное поглощением или испусканием энергии одного или нескольких гравитонов при взаимодействии с гравитационной волной, крайне мало. Однако, по мнению автора, с помощью специально сконструированного интерферометра можно продемонстрировать эти изменения частоты. В процессе две световые волны испытают разные изменения частоты в зависимости от того, поглощают они или испускают гравитоны. После этого взаимодействия и прохождения оптического пути они снова перекрываются и создают интерференционную картину. Из неё можно сделать вывод об изменении частоты, которое произошло, и, следовательно, о передаче гравитонов.
Установка LIGO, предназначенная для обнаружения гравитационных волн, имеет подходящую конструкцию. Она состоит из двух L-образных вакуумных труб длиной около 4 километров. Разделитель луча делит лазерный луч на оба плеча детектора. Проходя через них, входящие гравитационные волны минимально искажают пространство-время, что вызывает изменения в несколько аттометров (10-18 метров) в первоначально равной длине двух плеч. Это крошечное изменение длины изменяет интерференционную картину лазерного света, позволяя обнаружить сигнал.
В интерферометре, разработанном для реализации идеи Шуцхольда, можно будет не только наблюдать гравитационные волны, но и впервые манипулировать ими посредством испускания и поглощения гравитонов. По словам Шуцхольда, световые импульсы, фотоны которых запутаны, могут значительно повысить чувствительность интерферометра.
«Мы могли бы даже сделать выводы о квантовом состоянии самого гравитационного поля», – говорит Шуцхольд. Это не будет прямым доказательством существования гипотетического гравитона, но станет сильным аргументом в его пользу. Если световые волны не продемонстрируют предсказанных интерференционных эффектов при взаимодействии с гравитационными волнами, то существующая теория, основанная на гравитонах, может быть опровергнута.
