Учёные впервые зафиксировали признаки того, что гравитация, описанная общей теорией относительности Альберта Эйнштейна, может проявляться и в квантовой области. Речь идёт о наблюдениях за падением квантового объекта, и хотя это может показаться незначительным событием, поскольку речь идёт об атомах, такой результат способен приблизить физиков к созданию единой теории, объясняющей устройство Вселенной.
Как сообщает издание Space, исследователи из Университета имени Бен-Гуриона в Негеве провели эксперимент, чтобы выяснить, как квантовые свойства атомов меняются при их падении под действием гравитации. В основе работы лежит принцип эквивалентности — ключевой элемент общей теории относительности, согласно которому для наблюдателя, находящегося в свободном падении, гравитация исчезает. Этот принцип можно пояснить на примере лифта: если человек внутри закрытой кабины ощущает тяжесть и видит, как брошенный мяч падает на пол, он не может определить, стоит ли лифт на земле или движется вверх с ускорением, равным силе гравитации. Аналогично, при потере веса невозможно понять, оборвался ли трос и кабина падает, или ускорение прекратилось.
Для проверки этого принципа в квантовом масштабе команда использовала интерферометр, который позволил разделить квантовую волну движущегося атома на два пути. Одна часть волны удерживалась на месте, а другая свободно падала, после чего учёные соединили волны и наблюдали изменения, вызванные гравитацией. В качестве подопытных объектов выступило облако атомов рубидия, охлаждённое почти до абсолютного нуля и размещённое у поверхности специального атомного чипа.
С помощью микроволновых импульсов атомы были переведены в состояние квантовой суперпозиции, позволяющее частице одновременно существовать в двух или более противоположных состояниях. В данном случае каждый атом двигался по двум траекториям одновременно: магнитное поле чипа компенсировало гравитацию на одном пути, удерживая атом неподвижным, а на другом пути импульсы сначала поднимали атом вверх, а затем отключались, позволяя ему свободно падать. При воссоединении волн учёные измерили изменения фазы свободно падающей волны, что стало первым подобным наблюдением.
Руководитель проекта Рон Фольман отметил, что работа сочетает сложный эксперимент с теоретической интерпретацией одного из фундаментальных вопросов физики — возможности объединения гравитации и квантовой теории. По его словам, эти две основы современной физики до сих пор не поддавались созданию единой теоретической модели, однако данный опыт даёт подсказки о том, как может быть достигнуто такое объединение. Член команды Влатко Ведрал добавил, что эксперимент подтверждает предсказания квантовой механики в её взаимодействии с гравитацией. Результаты исследования опубликованы в журнале Science Advances.