Міжнародна команда фізиків з Ульмського університету, Оксфордського університету та Університету Бен-Гуріона в Негеві провела експеримент, який уперше прямо показав: квантовий об’єкт у вільному падінні також «відчуває» гравітацію — саме так, як це передбачав Альберт Ейнштейн. Про роботу розповідає видання Interesting Engineering.
Коли класична і квантова фізика мають збігтися
У фізиці давно співіснують два підходи. Класична механіка описує рух планет, падіння тіл чи передачу тепла. Квантова механіка пояснює поведінку атомів, утворення хімічних зв’язків і те, які саме довжини хвиль вони поглинають або випромінюють.
Обидві теорії чудово працюють у своїх масштабах, але універсальний закон природи має поєднувати їх. Одне з ключових питань — чи діє принцип еквівалентності Ейнштейна, сформульований у його теорії гравітації, також і для квантових об’єктів.
Принцип еквівалентності стверджує, що для спостерігача у вільному падінні гравітація локально «зникає». Людина в кабіні ліфта чи літаку, що падає вільно, відчуває не притягання, а невагомість. Дослідники захотіли перевірити, чи можна побачити аналогічний ефект на рівні квантових хвиль атомів.
Квантовий тест принципу Ейнштейна
Квантові об’єкти можуть поводитися як хвилі й одночасно рухатися кількома шляхами. Щоб скористатися цією властивістю, команда застосувала спеціальний пристрій — квантовий інтерферометр Галілея (Quantum Galileo Interferometer). Він розщеплює хвилю, пов’язану з атомом, на дві частини, що йдуть різними траєкторіями.
Цей інтерферометр дозволяє не лише розділити хвилю, а й утримувати одну її частину у стані вільного падіння, тоді як інша залишається «зафіксованою» відносно лабораторії. Потім обидві частини знову зводять разом, щоб побачити, як гравітація вплинула на їхні квантові фази.
До роботи долучився й відомий теоретик, професор Оксфордського університету сер Роджер Пенроуз (Roger Penrose), який раніше припускав, що квантова механіка може давати збій для масивних об’єктів, які дуже довго перебувають у стані суперпозиції.
Як саме проводили експеримент
Експеримент виконали в Університеті Бен-Гуріона, використавши хмари атомів рубідію, охолоджених до наднизьких температур, на спеціально створеному атомному чипі.
Спочатку за допомогою мікрохвильових імпульсів атоми перевели у стан квантової суперпозиції, у якому вони одночасно рухалися двома різними шляхами. Далі крихітні електричні дроти на чипі створювали слабкі магнітні поля, що давали невелику вгору спрямовану силу, яка врівноважувала силу тяжіння.
Це дозволило утримувати одну частину атомної хвилі нерухомою відносно лабораторії та Землі. Іншу частину спочатку підштовхнули вгору магнітним імпульсом, а потім перевели в стан без магнітної взаємодії, фактично надавши їй можливість вільно падати під дією гравітації.
Після цього ще один магнітний імпульс знову з’єднав обидві частини хвилі. Вони інтерферували, і за допомогою інтерферометра дослідники змогли виміряти крихітну різницю квантових фаз між ними.
Виявилося, що ця різниця точно відповідає тій, яку передбачає теорія Ейнштейна для вільно падаючого об’єкта. Раніше квантові системи вже застосовували для вимірювання гравітації, але це — перше пряме вимірювання передбаченої квантової фази саме для вільного падіння.
Що це означає для фізики
Результат не об’єднує квантову механіку і загальну теорію відносності в єдину теорію всього. Він показує, що принцип еквівалентності Ейнштейна працює і для квантових об’єктів, принаймні в умовах цього експерименту.
Професор фізики Оксфордського університету Влатко Ведрал (Vlatko Vedral) у пресрелізі зазначив, що наразі немає узгодженої теорії, яка б пояснювала, чому квантова механіка повинна перестати працювати. Новий експеримент просуває квантову теорію в одну з її найцікавіших меж — до гравітації — і знову підтверджує її передбачення.
Робота також не спростовує аргументи Пенроуза щодо можливого руйнування суперпозиції для більших об’єктів. Навпаки, вона відкриває шлях до майбутніх експериментів із масивнішими системами, де можна буде перевірити, чи зберігається квантова поведінка під дією гравітації.
Результати дослідження опубліковані в журналі Science Advances.