Физики впервые зафиксировали крошечный квантовый сдвиг, возникающий при свободном падении объекта в гравитационном поле Земли. Этот эффект следует из теории относительности Альберта Эйнштейна и был предсказан почти сто лет назад. Результаты исследования опубликованы 2 сентября в журнале Science Advances.
Ученые создали суперпозицию из сверххолодных атомов рубидия, при которой один и тот же атом одновременно находился на двух траекториях. В одной ветви он свободно падал под действием земного притяжения, а в другой оставался неподвижным. После объединения состояний исследователи обнаружили едва заметную разницу фаз между ними.
Эксперимент провела группа под руководством Рона Фольмана из Университета имени Бен-Гуриона в Негеве в Израиле. Около 20 тысяч атомов рубидия охладили до состояния конденсата Бозе — Эйнштейна и поместили в интерферометр на расстоянии примерно 113 микрометров от атомного чипа с золотыми проводниками. Радио- и микроволновые импульсы разделили каждый атом на два магнитных состояния.
Одну часть атома направили вверх, после чего она поднималась и опускалась только под воздействием гравитации. Для второй части магнитную силу настроили так, чтобы полностью компенсировать притяжение Земли и удерживать ее на месте. В верхней точке траектории расстояние между двумя частями достигало около 7,5 микрометра, затем их вновь сводили вместе.
В ходе 633 запусков, проведенных за 5,3 часа, специалисты увеличивали время свободного падения до 2,4 миллисекунды. Они зарегистрировали 13 полных колебаний фазы, причем ее рост соответствовал кубу времени падения с точностью около 2,5%. Как сообщил Live Science соавтор работы, физик Оксфордского университета Влатко Ведрал, наблюдение подтвердило применимость принципа эквивалентности Эйнштейна в квантовой механике.
Наиболее сложной частью опыта стало точное совмещение двух ветвей атома, которые к концу эксперимента двигались с разными скоростями. Контраст интерференционной картины снижался с 80% при коротких запусках до 20% при самых длительных. В дальнейшем исследователи намерены проверить принцип эквивалентности в более общих условиях, в том числе во вращающейся системе отсчета.