Международная группа ученых, в которую вошел нобелевский лауреат профессор сэр Роджер Пенроуз, впервые напрямую зафиксировала предсказанный ранее гравитационный эффект, возникающий при падении квантового объекта. Это открытие подтверждает, что базовый принцип теории гравитации Эйнштейна остается справедливым и для квантового поведения в проверенных условиях. Работу возглавили специалисты из университетов Бен-Гуриона, Ульма и Оксфорда, а ее результаты были опубликованы в начале сентября в журнале Science Advances.
Современная физика строится на двух успешных, но пока не объединенных теориях. Квантовая механика описывает поведение атомов и микрочастиц, а теория гравитации Эйнштейна объясняет падение тел и устройство Вселенной в крупных масштабах. Новый эксперимент был направлен на изучение области, где эти два описания пересекаются.
Ученые измерили изменение квантовых свойств атомов, движущихся под действием гравитации. Полученный результат совпал с предсказанием, которое следует из распространения принципа эквивалентности Эйнштейна на квантовый объект. Этот принцип гласит, что гравитация локально исчезает для наблюдателя, находящегося в свободном падении, как, например, человек в падающем лифте ощущает невесомость.
Для проверки эффекта команда создала прибор под названием квантовый интерферометр Галилея. Устройство позволяло разделить квантовую волну атома на две траектории: одна часть оставалась неподвижной, а другая свободно падала, после чего их сводили вместе для анализа. Эксперимент проходил в университете Бен-Гуриона с облаками атомов рубидия, охлажденными почти до абсолютного нуля и удерживаемыми у поверхности специального чипа.
С помощью микроволновых импульсов атомы переводили в квантовую суперпозицию, позволяя им одновременно следовать по двум путям. Магнитные поля, создаваемые микропроводами на чипе, компенсировали гравитацию для одной части волны, удерживая ее на месте, а другую часть подталкивали вверх так, чтобы она падала по баллистической траектории. После завершения падения части волны сводили вместе, и их интерференция позволяла измерить накопленную разницу квантовых фаз, которая точно соответствовала предсказанию теории Эйнштейна.
Как отмечают исследователи, это первое прямое измерение предсказанного квантового эффекта от свободно падающего объекта, хотя квантовые частицы уже использовались в экспериментах с гравитацией. Авторы подчеркивают, что работа не дает единой теории квантовой механики и гравитации, но демонстрирует совместимость принципа эквивалентности с квантовой механикой. Результаты также не опровергают идею Пенроуза о возможном нарушении квантовой механики для очень массивных объектов, и исследователи надеются распространить методику на более тяжелые системы, включая наноалмазы. В работе участвовали специалисты из университетов Бен-Гуриона, Оксфорда, Саутгемптона, Германского аэрокосмического центра, Ульмского университета и Техасского университета A&M.