Фізики вперше безпосередньо виміряли крихітний квантовий зсув, який отримує об’єкт, падаючи в гравітаційному полі Землі. Цей ефект, передбачений теорією відносності Альберта Ейнштейна майже сто років тому, досі ніхто не спостерігав. Як повідомляє видання Live Science, новий експеримент показав, що принцип еквівалентності Ейнштейна зберігається навіть на квантових масштабах, створюючи невеликий, але важливий місток між загальною відносністю та квантовою механікою.
«Найщасливіша думка» Ейнштейна в квантовому світі
У центрі роботи — принцип еквівалентності, ключова ідея загальної теорії відносності. Він стверджує, що локально неможливо відрізнити дію гравітації від рівномірного прискорення. Класичний приклад — «ліфт Ейнштейна»: людина в зачиненому ліфті не може зрозуміти, чи тисне підлога на її ноги через те, що ліфт стоїть на Землі, чи тому, що він рівномірно розганяється в порожньому космосі. Сам Ейнштейн називав це усвідомлення «найщасливішою думкою» свого життя.
Для звичних масивних тіл принцип еквівалентності перевірений з надзвичайною точністю. Але квантові об’єкти поводяться як хвилі й описуються не лише положенням, а й фазою — тим, де розташовані гребені та западини хвилі. Фазу безпосередньо не видно, проте її можна виявити, коли дві версії однієї й тієї ж частинки знову поєднують: різниця фаз проявляється як інтерференційний візерунок, де хвилі підсилюють або гасять одна одну.
Теорія передбачає, що хвиля у вільному падінні має накопичувати фазу відносно ідентичної хвилі, яку утримують нерухомою, і що ця фаза зростає пропорційно кубу часу падіння. Тобто подвоєння часу вільного падіння має збільшувати ефект у вісім разів. Цей результат ще у 1927 році описали Чарльз Галтон Дарвін (Charles Galton Darwin) та Ерл Кеннерд (Earle Kennard), але експериментально його не підтверджували донині.
Атом, який одночасно падає і «зависає»
Щоб зафіксувати передбачений ефект, потрібен був прилад, у якому одна «гілка» квантового стану справді перебуває у вільному падінні, а інша — справді нерухома щодо Землі. Попередні експерименти з матерії-хвилі, починаючи з нейтронної інтерферометрії 1970-х років, вимірювали гравітацію іншими способами, але не з таким набором траєкторій.
Команда під керівництвом фізика Рона Фолмана (Ron Folman) з Університету Бен-Гуріона в Негеві охолодила приблизно 20 000 атомів рубідію до стану Бозе-Ейнштейнівського конденсату. Потім атоми вивільнили з магнітної пастки та запустили інтерферометр приблизно за 113 мікрометрів під «атомним чипом» із золотими дротами завтовшки близько 2 мікрометрів.
Радіочастотні та мікрохвильові імпульси перевели кожен атом у суперпозицію двох магнітних станів — квантовий стан, у якому одна частинка одночасно йде двома шляхами. Магнітний «поштовх» підкинув одну з цих гілок угору, а через частку мілісекунди другий імпульс зробив її нечутливою до магнітних полів, тож далі вона рухалася лише під дією гравітації. Інша гілка залишалася магніточутливою й відчувала силу, налаштовану так, щоб точно компенсувати гравітацію, фактично «підвішуючи» її на місці.
У верхній точці траєкторії дві половини одного й того ж атома були розділені приблизно на 7,5 мікрометра — це близько семи ширин самої атомної хвилі. Потім послідовність імпульсів розвернули, щоб знову звести їх разом. Прилад отримав назву «квантовий інтерферометр Галілея» — на честь ученого, який першим стверджував, що всі тіла падають з однаковим прискоренням.
За словами фізика Влатко Ведрала (Vlatko Vedral) з Оксфордського університету, співавтора роботи, у такій схемі «дві різні прискорення можуть бути накладені в суперпозицію — нульове та гравітаційне прискорення Землі — і їхня квантова інтерференція може бути виміряна».
Фаза, передбачена майже сто років тому
Дослідники відстежували інтерференційний сигнал, поступово збільшуючи час вільного падіння до приблизно 2,4 мілісекунди. За 633 запуски протягом 5,3 години вони зареєстрували 13 повних осциляцій — повних циклів накопичення фази між двома половинами атома.
Зростання фази відповідало кубу часу падіння й збігалося з теоретичною моделлю з точністю близько 2,5%. Таким чином, фаза, яку ще в 1927 році передбачили теоретики, нарешті була безпосередньо спостережена.
Цей результат важливий тим, що ту саму фазу можна обчислити двома принципово різними способами. В одному підході гравітація розглядається як сила, що діє на квантову хвилю. В іншому — переходять у систему відліку, яка вільно падає разом з атомом, де гравітація «зникає», і застосовують принцип еквівалентності. Обидва підходи дають однаковий результат, і саме ця узгодженість дозволяє квантовій механіці та загальній відносності співіснувати без суперечностей на дослідженому рівні точності.
Як підсумовує Ведрал, отримані дані показують, що «на цьому рівні точності немає конфлікту між квантовою фізикою та гравітацією» і що принцип еквівалентності «повністю сумісний із квантовою механікою».
«Ефект Колобка» і межі експерименту
Найскладнішим етапом виявилося повторне поєднання двох половин атома. Через те, що вони рухаються з дуже різними швидкостями, повернути їх до повного збігу і за положенням, і за імпульсом надзвичайно важко. Фізики Марлан Скаллі (Marlan Scully), Бертгольд-Георг Енглерт (Berthold-Georg Englert) і Джуліан Швінгер (Julian Schwinger) свого часу назвали цю проблему «ефектом Гампі-Дампі» — натякаючи на те, як важко «зібрати докупи» те, що розпалося.
Крім того, магнітні поля по-різному викривляють дві гілки хвилі в межах хмари атомів. Контраст інтерференційних смуг починався приблизно з 80% для найкоротших запусків і падав до близько 20% для найдовших, що фактично встановлює практичну межу тривалості експерименту.
Автори також застерігають, що їхній результат не відкидає всі можливі теорії, у яких принцип еквівалентності може порушуватися. Деякі з таких моделей передбачають ту саму фазу, що й стандартна теорія, тож залишаються сумісними з отриманими даними.
Наступні кроки і питання про квантову гравітацію
Команда планує перевірити принцип еквівалентності в ширших умовах — наприклад, провести подібний експеримент у обертовій системі відліку. Ще амбітніша ідея — створити суперпозицію двох таких квантових систем, які могли б гравітаційно впливати одна на одну. Це дозволило б глибше протестувати межі сумісності квантової механіки та гравітації.
Остання пропозиція безпосередньо пов’язана з однією з центральних відкритих проблем фізики: чи сама гравітація підкоряється квантовим правилам. Якщо вдасться масштабувати техніку від атомів до значно масивніших об’єктів, наприклад нанодіамантів, фізики зможуть експериментально перевіряти гіпотезу, яку відстоює, зокрема, Нобелівський лауреат Роджер Пенроуз (Roger Penrose). Вона полягає в тому, що саме гравітація може руйнувати квантові суперпозиції й змушувати світ виглядати класичним таким, яким ми його спостерігаємо.