Padající atomy změřily kvantový fázový posun předpovězený Einsteinem

Výzkumný tým vedený Ronem Folmanem přímo změřil, jak zemská gravitace mění kvantovou fázi ultrachladných atomů rubidia. V zařízení nazvaném Quantum Galileo Interferometer nechali dvě koherentní větve atomové vlny projít odlišnými drahami: jedna byla téměř nehybná díky magnetickému poli, druhá byla vystřelena vzhůru a následně se pohybovala volným pádem. Když se obě větve znovu spojily, interferenční signál odpovídal s přesností experimentu fázi očekávané z Einsteinova principu ekvivalence. 24

Co přesně vědci naměřili

Kvantový objekt lze popsat jako vlnu a během svého vývoje tato vlna získává fázi. Samotnou fázi nelze obvykle přímo pozorovat. Pozorovatelný je však rozdíl fází, když se dvě koherentní vlny znovu překryjí: projeví se změnou interferenčního obrazce.

Mikrovlnné pulzy u atomového čipu připravily atomy do superpozice, tedy stavu se dvěma alternativními kvantovými historiemi. Magnetické pole v jedné větvi vyrovnávalo tíhu, zatímco druhá větev absolvovala balistickou dráhu vzhůru a zpět dolů. Po jejich spojení se relativní gravitační fáze převedla na měřitelný interferenční signál. 24

Hlavní závěr je přesně vymezený: pozorovaný fázový posun byl v rámci experimentální přesnosti slučitelný s předpovědí založenou na principu ekvivalence. Tento princip je jedním ze základů Einsteinovy teorie gravitace a lokálně spojuje volný pád s působením gravitace. 24

Proč na tom záleží

Nejde jen o změření klasické dráhy padajícího tělesa. Rozhodující je, že sledovaným objektem byla koherentní kvantová vlna, která se nacházela ve superpozici dvou cest. Pokus tak ukazuje, že u ultrachladných atomů rubidia ve slabém gravitačním poli Země odpovídá naměřený kvantový vývoj předpovědi principu ekvivalence. 24

Je to důležitý experimentální most mezi dvěma oblastmi fyziky, které se často stavějí do kontrastu: kvantová mechanika popisuje superpozici a interferenci atomu, gravitace pak dodává rozdíl fáze mezi jeho dvěma drahami.

Co výsledek neprokazuje

Pokus nesjednocuje kvantovou mechaniku a obecnou relativitu. Nedokazuje ani to, že gravitace je kvantovaná, neodhaluje graviton a nerozhoduje mezi zásadně kvantovým a zásadně klasickým popisem gravitace. 23

Přímější test kvantové povahy gravitace by vyžadoval například ukázat, že gravitace dokáže vytvořit provázání mezi dostatečně izolovanými hmotnými objekty. Navrhované experimenty proto počítají s prostorovými superpozicemi krystalů o velikosti mikrometrů, případně nanodiamantů se zabudovanými spinovými systémy, a zkoumají, zda jejich vzájemná gravitace vyvolá provázání. 34

Kam zapadá hypotéza Rogera Penrose

Roger Penrose navrhl jinou možnost: dostatečně hmotný objekt v prostorové superpozici by odpovídal alternativním geometriím časoprostoru, které nemusí zůstávat koherentní neomezeně dlouho. V příbuzných Diósiho–Penroseových modelech se očekávaná doba zániku koherence odvozuje od rozdílu gravitační vlastní energie mezi superponovanými rozloženími hmoty. 36

Jde o hypotézu možného omezení standardní kvantové mechaniky, nikoli o závěr z tohoto pokusu s rubidiem. Jeden atom není velký, hmotný a prostorově oddělený systém, na němž by se podobné modely měly nejsnáze ověřovat.

Proč budou důležité těžší kvantové objekty

Testy kolapsových modelů se snaží vytvořit prostorové superpozice objektů podstatně těžších než jednotlivé atomy a hledat ztrátu koherence, kterou nelze vysvětlit běžným vlivem okolního prostředí. Právě superpozice hmotných objektů jsou nejpřímější strategií: některé kolapsové modely totiž zakazují stavy, které standardní kvantová teorie naopak připouští. 33

Budoucí interferometry s mezoskopickými částicemi — například levitovanými nanodiamanty či jinými malými krystaly — budou muset udržet koherenci a zároveň velmi pečlivě potlačit běžnou dekoherenci způsobenou okolím. Pokud by systém vykazoval interferenci i za dobou rozpadu předpovězenou určitým modelem, model by to omezilo. Pokud by se naopak opakovaně objevovala nadbytečná ztráta koherence se závislostí na hmotnosti, vzdálenosti a čase, šlo by o pozorování hodné dalšího zkoumání — ovšem až po vyloučení šumu a jiných negravitačních příčin. 333436

Prozatím je nejlepší číst výsledek interferometru Quantum Galileo střízlivě: za zkoumaných podmínek získala kvantová hmota při volném pádu gravitační fázi předpovězenou Einsteinovým principem ekvivalence. 24