«Апостериори»: Гравитационные волны могут влиять на излучение атомов

Новости науки и технологий

Поддержите «Эхо», если вы не в России

Физики показали, что проходящая гравитационная волна способна изменять спектр света, который испускает одиночный атом – причём это изменение зависит от направления излучения.

Гравитационные волны – это распространяющиеся возмущения пространства-времени. Их существование следует из Общей теории относительности Эйнштейна и было предсказано ещё в начале прошлого века. Сегодня гравитационные волны регистрируются с помощью детекторов на основе интерферометров, таких как LIGO и Virgo. В этих установках измеряются крайне малые изменения расстояний между зеркалами, вызванные сжатием или растяжением пространства-времени. По сути, большинство современных методов регистрации гравитационных волн сводятся к измерению их влияния на расстояния между объектами.

В новой работе, опубликованной в журнале Physical Review Letters, исследователи предложили принципиально другой подход. Вместо измерения движения тел, они рассмотрели, как гравитационная волна влияет на квантовую систему – а именно на процесс спонтанного излучения атома.

Спонтанное излучение – это один из базовых процессов квантовой физики. Если атом находится в возбуждённом состоянии, он может самопроизвольно перейти в более низкое энергетическое состояние, испустив фотон. Обычно считается, что свойства этого излучения полностью определяются самим атомом и квантовым полем, с которым он взаимодействует.

Однако авторы работы показали, что гравитационная волна может изменить это поле – и тем самым повлиять на процесс излучения.

Оказалось, что в присутствии гравитационной волны спектр испускаемого света изменяется. В зависимости от частоты волны это может проявляться по-разному. Если частота гравитационной волны мала, происходит небольшой сдвиг частоты испускаемого фотона. Если же она выше, в спектре появляются дополнительные компоненты – так называемые боковые полосы, аналогичные тем, что возникают в модулированных сигналах.

При этом особенно важно, что излучение становится направленно зависимым. Интенсивность и спектр фотонов меняются в зависимости от того, в каком направлении они испускаются. Возникает характерная квадрупольная структура – с усилением излучения в одних направлениях и ослаблением в других – подобная той, что описывает саму гравитационную волну.

Интересно, что общее количество испускаемых фотонов при этом не меняется. То есть вероятность излучения атома остаётся прежней. Это означает, что информация о гравитационной волне не содержится в самом атоме. Она проявляется только в распределении испущенного света – в его спектре и направлении. По сути, атом в этой схеме играет роль посредника, а вся информация о гравитационной волне содержится в квантовом поле.

Авторы также попытались оценить, можно ли использовать этот эффект для регистрации гравитационных волн. Их расчёты показывают, что в принципе это возможно. Для этого потребуется большое число атомов – от одного до ста миллионов – что уже достижимо в экспериментах с холодными атомными облаками.

Особый интерес представляет то, что такой метод может быть чувствителен к низкочастотным гравитационным волнам – в диапазоне миллигерц. Именно в этом диапазоне находятся сигналы от массивных чёрных дыр и других астрофизических источников, которые плохо доступны существующим наземным детекторам.

Авторы подчёркивают, что пока речь идёт о теоретической оценке . Для практической реализации необходимо учитывать множество дополнительных факторов – например, шумы и ограничения реальных измерений. Однако сама идея открывает новое направление: использование квантовых систем как датчиков гравитационных волн.

В более широком смысле эта работа показывает, что гравитация может проявляться не только через движение тел, но и через структуру квантовых полей. И это может стать ещё одним шагом к объединению общей теории относительности и квантовой механики.