Физики-теоретики утверждают, что энергию можно черпать прямо из вакуума, используя гравитацию. Если ученым удастся показать, что это возможно, в долгосрочной перспективе это может вылиться в постулирование доказательства гравитона, частицы гравитации, и приблизить ученых на шаг ближе к разработке «теории всего», которая может объяснить работу Вселенной от самых малых до крупнейших масштабов.

Новое исследование предполагает, что может быть возможно показать существование гравитонов, используя сверхпроводящие пластины, которые измеряют явление с эзотерическим названием «гравитационный эффект Казимира».

«Самое интересное в этих результатах то, что их можно протестировать с учетом современных технологий», — заявил автор работы Джеймс Квач, физик-теоретик из Токийского университета.

Демонстрация существования гравитонов может помочь ученым, которые давно стремятся разработать «теорию всего» — универсальную теорию, описывающую работу космоса в целом. В настоящее время они используют теорию квантовой механики, чтобы объяснить работу Вселенной на самом крошечном уровне, и общую теорию относительности, чтобы объяснить работу Вселенной во вселенских масштабах. Квантовая механика может объяснить поведение всех известных частиц, а общая теория относительности описывает природу пространства-времени и гравитации.

Квантовая механика предполагает, что частицы — в том числе и неуловимый гравитон — могут вести себя одновременно как частицы и волны.

Но квантовая механика также показывает, что мир становится нечетким и расплывчатым на самых мельчайших уровнях. Например, атомы и другие фундаментальные строительные блоки существуют в состоянии «суперпозиции», то есть чуть ли не находятся в двух местах одновременно или вращаются в противоположных направлениях, тоже одновременно. Таковы следствия квантовой механики.

Поскольку квантмех предполагает, что любая из частиц может находиться не там, где мы думаем, а скорее находится сразу во всех местах, одним из многих странных следствий этой теории является то, что вакуум (совершенно пустое пространство) на самом деле содержит «виртуальные частицы», которые регулярно появляются и исчезают. Эти призрачные частицы не просто теоретические — они могут генерировать вполне ощутимую силу.

Эффект Казимира — одна из таких сил, а ее можно измерить как силу притяжения или отталкивания между зеркалами, размещенными в нескольких нанометрах друг от друга в вакууме. Отражающие поверхности могут фактически двигаться, благодаря виртуальным фотонам, или частицам света, которые появляются и исчезают в вакууме между двумя зеркалами.

В принципе, эффект Казимира может быть справедливым не только для фотонов, но и для гравитационных частиц, а значит, что гравитоны могут появляться и исчезать в вакууме между зеркалами. Если этот эффект будет обнаружен, ученые смогут доказать существование гравитонов. В свою очередь, наличие гравитонов показало бы, что гравитация обладает квантовой природой и может вести себя одновременно как частица и как волна. Это был бы важный шаг в сторону согласования квантовой механики с ОТО.

Такой «гравитационный эффект Казимира» довольно трудно обнаружить, потому что обычная материя не отражает гравитоны так же хорошо, как отражает свет. Тем не менее последние теоретические исследования показывают, что гравитоны могут отражать сверхпроводники.

Сверхпроводники — это материалы, которые проводят электричество с нулевым сопротивлением. В сверхпроводниках электроны конденсируются в так называемую квантовую жидкость и могут течь без рассеивания энергии.

В обычных материалах, отрицательно заряженные электроны и положительно заряженные атомные ядра или ионы, которым они принадлежат, двигаются по одним и тем же траекториям. Тем не менее в сверхпроводниках квантовой жидкости из электронов совсем не обязательно двигаться вместе с ионами, говорит Квач.

Однако отрицательно заряженные электроны и положительно заряженные ионы в сверхпроводнике будут притягиваться друг к другу. Когда входящие гравитоны пытаются заставить электроны и ионы двигаться по разным путям, притяжение между электронами и ионами может удерживать их вместе, потенциально приводя к тому, что гравитоны будут от них отражаться, говорит Квач.

В обычной материи гравитационный эффект Казимира слишком слаб, чтобы быть обнаруженным, он оказывает одну сотую миллиарда триллиона триллионной величины давления, оказываемого атмосферой Земли на уровне моря. В сверхпроводниках же, если гравитационный эффект Казимира реален, он может оказывать эффект в 10 раз сильнее, чем ожидается от виртуальных фотонов.

Остается непонятным, могут ли сверхпроводники отражать гравитационные волны в реальном мире. «Это пока просто теория, и пока не будут проведены эксперименты, мы не сможем принять ее как факт, — говорит Квач. — Тем не менее я надеюсь провести этот эксперимент».

Хотя эффект Казимира по сути позволяет извлекать энергию из вакуума, Квач отмечает, что это не значит, что энергия вакуума может обеспечить энергией весь мир.

«Эффект Казимира очень и очень слаб, — говорит Квач. — Требуется слишком много усилий, чтобы его обнаружить, не говоря уж о том, чтобы использовать его в качестве источника энергии».

Впрочем, от использования этого эффекта в качестве источника тяги для космических кораблей пока никто не отказывался.