Физики впервые измерили квантовый эффект гравитации Эйнштейна в прямом эксперименте

Международная команда учёных, включающая лауреата Нобелевской премии профессора сэра Роджера Пенроуза, впервые напрямую наблюдала долгое время предсказываемый гравитационный эффект в падающем квантовом объекте. Исследование, возглавляемое Университетом Негева Бен-Гуриона, Университетом Ульма и Университетом Оксфорда, было опубликовано 2 сентября в журнале Science Advances.

Два мира физики

Современная физика опирается на два успешных подхода: квантовая механика описывает поведение атомов и других микроскопических объектов, а теория гравитации Эйнштейна объясняет падение тел и крупномасштабную структуру Вселенной. Несмотря на их отдельные успехи, физики до сих пор не имеют единой теории, которая объединила бы оба подхода. Новый эксперимент исследует область, где эти два описания пересекаются.

Принцип эквивалентности Эйнштейна

Принцип эквивалентности гласит, что гравитация должна локально исчезать для наблюдателя в свободном падении. Например, человек, падающий в лифте, испытывает невесомость. Этот принцип был подтверждён с исключительной точностью с использованием обычной материи, но прямое тестирование его на квантовых объектах было намного сложнее, поскольку квантовые объекты могут вести себя как волны и эффективно следовать более чем одному пути одновременно.

Квантовый интерферометр Галилея

Для проведения такого теста команда построила прибор под названием Quantum Galileo Interferometer. Устройство позволило исследователям разделить квантовую волну, связанную с атомом, на два отдельных пути. Одна часть могла оставаться на месте, а другая свободно падала под действием гравитации. Затем обе части вновь объединили, чтобы определить, как гравитация повлияла на падающую волну.

Ультрахолодные атомы рубидия

Эксперимент проводился в Университете Негева Бен-Гуриона с использованием облаков атомов рубидия, охлаждённых до температур чуть выше абсолютного нуля. Атомы манипулировались вблизи поверхности специально разработанного атомного чипа. Исследовательская команда, включая аспиранта Ора Добковского, начала с использования микроволновых импульсов для помещения ультрахолодных атомов в квантовую суперпозицию, что эффективно позволило каждому атому следовать двум путям одновременно.

Крошечные электрические провода, встроенные в чип, генерировали тщательно контролируемые магнитные поля. Одна часть атомной волны взаимодействовала с магнитным полем, позволяя исследователям создать восходящую силу, которая точно уравновешивала нисходящее притяжение гравитации. В результате эта часть волны оставалась неподвижной относительно лаборатории и Земли. Другая часть была отправлена вверх с использованием точно контролируемого магнитного импульса и переведена в состояние, почти не подверженное влиянию магнитного поля, позволяя ей двигаться свободно под действием гравитации по баллистической траектории, подобно подброшенному мячу.

Результаты и их значение

После завершения падающего движения ещё один тщательно контролируемый магнитный импульс вновь объединил две части атомной волны. Объединённые волны интерферировали друг с другом, предоставляя исследователям способ измерить чрезвычайно малую разницу в квантовой фазе, которая накопилась, пока одна часть падала, а другая оставалась неподвижной. Измеренная квантовая фаза совпала с фазой, предсказанной при применении принципа Эйнштейна к этому типу квантовой волны.

Квантовые частицы использовались в более ранних экспериментах для измерения гравитации, но исследователи утверждают, что это первое прямое измерение предсказанной квантовой фазы, производимой свободно падающим объектом.

Что дальше

Результаты не предоставляют единую теорию квантовой механики и гравитации и не демонстрируют, что сама гравитация квантова. Вместо этого они показывают, что принцип эквивалентности Эйнштейна остаётся совместим с квантовой механикой в исследованном диапазоне. Результаты также не опровергают идею, предложенную соавтором исследования профессором сэром Роджером Пенроузом, который утверждал, что квантовая механика может в конечном итоге нарушиться, когда достаточно массивные объекты остаются в квантовых суперпозициях в течение длительных периодов времени. Текущий эксперимент не включал объекты достаточно массивные или суперпозиции, длящиеся достаточно долго, чтобы проверить эту возможность. Однако исследователи надеются, что новый метод может быть в конечном итоге расширен на намного более тяжёлые объекты, включая наноалмазы. Эксперименты, предназначенные для исследования этой возможности, уже ведутся в той же группе в Университете Негева Бен-Гуриона.

Это данные исследования, а не медицинский совет.