Atomforsøg måler tyngdekraftens kvantefase – men afgør ikke, om tyngdekraften er kvantemekanisk

To veje for det samme atom

Det internationale hold målte direkte den kvantefaseforskel, som tyngdekraften fremkalder, når ultrakolde rubidiumatomer følger to sammenhængende veje. Den ene gren blev magnetisk holdt næsten stille mod Jordens tyngdefelt, mens den anden blev skudt opad og derefter bevægede sig i frit fald. Da de to grene blev samlet igen, fremstod deres relative fase som et målbar interferenssignal.

Det observerede faseskift stemte, inden for eksperimentets præcision, med den fase som Einsteins ækvivalensprincip forudsiger for netop disse to baner. 24

Sådan virkede interferometeret

Mikrobølgepulser satte atomerne i en superposition af to forløb, som både omfattede deres interne tilstand og deres bevægelsesvej tæt ved en atomchip. Magnetfelter holdt den ene atomgren oppe mod tyngdekraften, mens den anden fulgte en ballistisk bane opad og ned igen. Ved at rekombinere grenene kunne forskerne aflæse den opsamlede faseforskel i interferensmønstret. 24

Det er væsentligt, fordi målingen ikke blot handler om en klassisk genstands faldbevægelse. Den undersøger, hvordan tyngdekraften påvirker den relative fase i en kvantetilstand med to mulige veje.

Hvad resultatet faktisk viser

I dette regime – enkelte atomer i Jordens svage tyngdefelt – giver almindelig kvanteudvikling og ækvivalensprincippet det resultat, som forsøget observerede. Det er dermed en direkte interferensbaseret test af fasen ved gravitationelt frit fald. 24

Men resultatet afgør ikke det langt større spørgsmål om, hvorvidt selve tyngdekraften er en kvantemekanisk kraft. Forsøget:

• forener ikke kvantemekanik og generel relativitet,
• beviser ikke, at tyngdekraften er kvantiseret,
• påviser ikke gravitoner,
• og kan ikke alene skelne mellem en klassisk og en kvantemekanisk beskrivelse af tyngdekraften.

En mere direkte test af tyngdekraftens kvantenatur ville eksempelvis være at vise, at tyngdekraften kan skabe sammenfiltring mellem to tilstrækkeligt isolerede masser. 23

Hvor Roger Penroses idé kommer ind

Roger Penrose har foreslået en såkaldt objektiv, tyngderelateret kollapsmekanisme. Ideen er, at et massivt objekt i en rumlig superposition svarer til to forskellige krumninger af rumtiden. Ifølge forslaget bliver en sådan tilstand ustabil, så dens sammenhæng – koherens – forsvinder over en tidsskala, der afhænger af forskellen i de to massefordelingers gravitationelle selvenergi. 9

Et enkelt rubidiumatom er imidlertid alt for let til at sætte en hård prøve på en sådan masseafhængig nedbrydning af superpositioner.

Derfor skal fremtidige forsøg være tungere

For at teste Penrose-lignende modeller kræves interferometre, der kan skabe store og langvarige rumlige superpositioner af tungere, mesoskopiske systemer – for eksempel svævende nanodiamanter eller andre små partikler. Her ville man lede efter et uforklaret tab af interferens med den hastighed, modellerne forudsiger, efter at almindelig miljøpåvirkning og anden støj er udelukket så grundigt som muligt. 19

Hvis et system bevarer koherensen længere end den forudsagte henfaldstid, vil det begrænse sådanne modeller. Hvis der derimod gentagne gange ses ekstra henfald med den forventede afhængighed af masse, afstand og tid, vil det tale til modellernes fordel – men alternative forklaringer som eksperimentel støj skal stadig afvises. 19