Atomy ukázaly gravitační kvantový fázový posun. Co experiment skutečně potvrdil

Experiment mezinárodního týmu vedeného Ronem Folmanem přímo změřil kvantový fázový rozdíl vyvolaný gravitací mezi dvěma koherentními cestami ultrachladných atomů rubidia. Jedna větev atomového stavu byla magneticky podpírána proti gravitaci, zatímco druhá byla vyslána vzhůru a poté se po balistické dráze volně vracela dolů. Posun interferenčního signálu v mezích přesnosti měření souhlasil s fází předpovězenou Einsteinovým principem ekvivalence pro tyto dráhy. 24

Jak měření fungovalo

Mikrovlnné pulzy připravily atomy poblíž atomového čipu do superpozice dvou historií, které se lišily vnitřním stavem i dráhou. Magnetické pole udržovalo jednu větev prakticky nehybnou proti zemské přitažlivosti. Druhá větev se pohybovala vzhůru a dolů ve volném pádu. Při následném spojení obou větví se jejich relativní fáze projevila jako měřitelná interference. 24

Nejde tedy jen o ověření, že atom ve gravitačním poli padá podle očekávání. Rozhodující je, že vědci sledovali rozdíl fáze dvou současně existujících kvantových možností pohybu.

Co výsledek potvrzuje — a co ne

V atomovém režimu slabé gravitace Země měření ukazuje shodu mezi běžným kvantovým vývojem a předpovědí principu ekvivalence. Jde o přímý interferenční test gravitační fáze při volném pádu. 24

Výsledek však není důkazem kvantové gravitace. Nesjednocuje kvantovou mechaniku s obecnou relativitou, neprokazuje kvantování gravitačního pole ani neodhaluje graviton. Nerozhoduje ani mezi klasickou a kvantovou gravitací. K takovému testu by bylo třeba například ukázat, že gravitace sama vytvořila kvantové provázání mezi dvěma vhodně izolovanými hmotnými tělesy. 23

Proč je v souvislosti s experimentem důležitý Roger Penrose

Roger Penrose navrhl objektivní mechanismus kolapsu vlnové funkce spojený s gravitací. Podle této hypotézy by prostorová superpozice hmotného objektu odpovídala dvěma rozdílně zakřiveným geometriím časoprostoru. Takový stav by proto nebyl stabilní a jeho koherence by zanikala v čase souvisejícím s rozdílem gravitační vlastní energie obou rozložení hmoty. 9

Jeden atom rubidia je pro výrazný test takového na hmotnosti závislého rozpadu koherence příliš lehký. Přísnější zkoušky by vyžadovaly velké a dlouho žijící prostorové superpozice těžších systémů — například levitovaných nanodiamantů či jiných mezoskopických částic. Experiment by pak hledal nevysvětlenou ztrátu interference při rychlosti, kterou předpovídají Penroseovy modely, a zároveň by musel pečlivě vyloučit běžnou dekoherenci způsobenou prostředím. 19

Pokud by koherence přetrvala déle, než takový model předpovídá, jeho platnost by se omezila. Naopak opakovatelný nadbytečný úbytek koherence se správnou závislostí na hmotnosti, vzdálenosti větví superpozice a době trvání by hypotézu podpořil — i tehdy by však bylo nutné vyloučit alternativní zdroje šumu.