Учёные провели эксперимент, в котором сравнили падающую и неподвижную волны атомов рубидия. Разница квантовых фаз между ними совпала с предсказанием, вытекающим из принципа эквивалентности Эйнштейна. Об этом сообщает SciTechDaily.
Атом рубидия может вести себя как волна, которую исследователи способны разделить на два пути. Это позволяет одному и тому же атому одновременно следовать по обеим траекториям, не распадаясь на части. Физики использовали такое свойство, чтобы удержать одну часть волны на месте, тогда как вторая падала под действием силы тяжести, после чего обе части вновь соединили для проверки предсказания, основанного на теории гравитации Эйнштейна.
Когда две части волны встретились, исследователи измерили разницу их квантовых фаз, описывающих положение волны в её цикле. Эта разница соответствовала значению, полученному при применении принципа эквивалентности к квантовому объекту. Согласно этому принципу, для наблюдателя в свободном падении эффекты гравитации локально должны исчезать.
Авторы работы называют результат первым прямым измерением предсказанной квантовой фазы свободно падающего объекта. Ранее квантовые частицы уже применялись для измерения гравитации, однако нынешний эксперимент специально сопоставил свободно падающую атомную волну с удерживаемой неподвижно. Исследование провели Университет имени Бен-Гуриона в Негеве, Ульмский университет и Оксфордский университет; среди соавторов — нобелевский лауреат по физике профессор сэр Роджер Пенроуз. Работа опубликована 2 сентября в журнале Science Advances.
Для сравнения потребовался прибор под названием «Квантовый интерферометр Галилея», созданный для разделения и воссоединения атомных волн. В Университете имени Бен-Гуриона экспериментальная группа, включая аспиранта Ора Добковского, работала с облаками атомов рубидия, охлаждёнными почти до абсолютного нуля вблизи поверхности специально разработанного атомного чипа. Микроволновые импульсы переводили атомы в состояние квантовой суперпозиции, позволявшее каждому атому идти сразу двумя путями. Крошечные электрические провода на чипе создавали точно контролируемые магнитные поля, с помощью которых исследователи по-разному управляли двумя частями атомной волны. Ту часть, которую хотели удержать на месте, уравновешивали направленной вверх магнитной силой, точно компенсирующей притяжение гравитации, — так она оставалась неподвижной относительно лаборатории и Земли. Другой части магнитный импульс придавал точный толчок вверх, после чего её переводили в состояние, почти не подверженное влиянию магнитного поля, и она двигалась свободно под действием гравитации: как подброшенный мяч, сначала поднималась, а затем падала. В конце падения ещё один магнитный импульс сводил обе части обратно. Их волны интерферировали, и картина сложения выявляла накопленную на двух путях разницу фаз, что дало команде способ сравнить поведение свободно падающей волны с поведением неподвижной.
Принцип эквивалентности Эйнштейна объясняет такое сравнение: человек внутри свободно падающего лифта ощущал бы невесомость, поскольку он и лифт падали бы вместе. Хотя этот принцип прошёл чрезвычайно точные проверки с обычной материей, его испытание на объектах, ведущих себя как волны и способных следовать по нескольким путям, представляет отдельную экспериментальную задачу. Совпадение измеренной фазы с предсказанием показывает, что в протестированных условиях принцип остаётся согласованным с квантовой механикой. Соавтор работы профессор Влатко Ведрал из физического факультета Оксфорда заявил: «У нас нет непротиворечивой теории, объясняющей, почему квантовая физика должна давать сбой. Этот эксперимент продвигает квантовую механику на одну из самых интригующих её границ — гравитацию — и показывает, что её предсказания в очередной раз выполняются».
Уже более века квантовая механика и теория гравитации Эйнштейна успешно описывают природу на совершенно разных масштабах. Квантовая механика описывает атомы и другие мельчайшие объекты, а теория Эйнштейна объясняет падающие тела и то, как гравитация формирует Вселенную. Полного понимания того, как эти две теории сочетаются, у физиков до сих пор нет. Ведущий автор работы профессор Рон Фольман из Университета имени Бен-Гуриона в Негеве отметил: «Это уникальная статья в том смысле, что она объединяет сложный эксперимент с далеко идущей теоретической интерпретацией одного из самых фундаментальных вопросов физики: как гравитацию (описываемую теорией относительности Эйнштейна) и квантовую теорию свести в единое понимание Вселенной? Эти два столпа современной физики до сих пор ускользали от всех попыток построить единую теоретическую основу, но этот комплексный эксперимент даёт больше подсказок о том, как такое объединение может быть достигнуто».
Эксперимент не даёт такой единой теории и не устанавливает, что сама гравитация является квантовой. Он также оставляет открытым предположение Пенроуза о том, что квантовая механика может нарушаться, когда достаточно массивные объекты слишком долго остаются в квантовых суперпозициях. Эксперимент с рубидием не достиг ни нужных масс, ни необходимых временных масштабов для проверки этой гипотезы. Команда надеется распространить методику на гораздо более тяжёлые объекты, включая наноалмазы, чтобы исследовать такую возможность. Эксперимент, преследующий эту цель, уже ведётся той же группой в Университете имени Бен-Гуриона.