Faldende atomer afslører tyngdekraftens kvantefase

Et internationalt forskerhold ledet af Ron Folman har direkte målt en kvantefaseforskydning, som skyldes Jordens tyngdekraft. Forsøget brugte ultrakolde rubidiumatomer i det såkaldte Quantum Galileo Interferometer og sammenlignede to sammenhængende atom-bølgeveje: én, der blev holdt næsten stille af et magnetfelt, og én, der blev sendt opad og derefter fik lov at falde frit. Da vejene blev samlet igen, stemte interferenssignalet med den fase, Einsteins ækvivalensprincip forudsiger under de testede forhold. 24

Hvad målte forskerne?

Kvantestørrelser som atomer beskrives af bølger. Når en bølge udvikler sig over tid, ophober den en fase – lidt som en forskydning i bølgens rytme. Fasen kan normalt ikke måles direkte, men forskellen mellem faserne på to sammenhængende veje kan ses, når de mødes igen: Den ændrer interferensmønstret.

I forsøget skabte mikrobølgepulser en superposition, så atomernes kvantetilstand havde to alternative udviklingsforløb nær en atomchip. Magnetfelter modvirkede tyngdekraften for den ene gren, mens den anden fulgte en ballistisk bane opad og ned igen i frit fald. Ved at samle de to grene igen gjorde forskerne den relative gravitationsfase målbar som et interferenssignal. 24

Det centrale resultat er, at den observerede faseforskydning – inden for forsøgets præcision – var i overensstemmelse med forudsigelsen fra ækvivalensprincippet. Princippet er en grundidé i Einsteins gravitationsteori: Lokalt kan virkningerne af tyngdekraft og acceleration i frit fald ikke skelnes fra hinanden. 24

Hvorfor er det en vigtig test?

Det er ikke blot en måling af en klassisk faldbevægelse. Tyngdekraften testes her i et interferometer, hvor det relevante objekt er en sammenhængende kvantemekanisk stofbølge, der følger to mulige veje samtidig.

Forsøget viser derfor, at den målte kvanteudvikling for ultrakolde rubidiumatomer i Jordens svage tyngdefelt stemmer med ækvivalensprincippets forudsigelse. 24

Det giver et konkret eksperimentelt bindeled mellem to teorier, som ofte beskrives som vanskelige at forene: Kvantemekanikken styrer atomets superposition og interferens, mens tyngdekraften bidrager med faseforskellen mellem de to veje.

Hvad beviser forsøget ikke?

Resultatet er ikke en forening af kvantemekanik og den generelle relativitetsteori. Det viser heller ikke, at tyngdekraften er kvantiseret, det påviser ikke gravitoner, og det afgør ikke, om tyngdekraften grundlæggende er en kvantemekanisk eller klassisk vekselvirkning. 23

En mere direkte test af tyngdekraftens kvantekarakter ville være at vise, at tyngdekraften kan skabe sammenfiltring mellem tilstrækkeligt isolerede massive objekter. Foreslåede forsøg går ud på at lave rumlige superpositioner af krystaller i mikrometerstørrelse – muligvis nanodiamanter med indlejrede spinsystemer – og derefter undersøge, om deres gensidige tyngdekraft skaber sammenfiltring. 34

Hvor passer Roger Penroses kollapshypotese ind?

Roger Penrose har fremsat en anden mulighed: Et tilstrækkeligt massivt objekt i en rumlig superposition kan svare til alternative rumtidsgeometrier, som ikke kan forblive sammenhængende ubegrænset længe. I beslægtede Diósi–Penrose-modeller knyttes den forventede henfaldstid til forskellen i gravitationel selvenergi mellem de to superponerede massefordelinger. 36

Det er en hypotese om en mulig begrænsning af den almindelige kvantemekanik – ikke en konklusion fra rubidiumforsøget. Et enkelt atom er ikke den type tungt, rumligt adskilt system, hvor sådanne modeller forventes at være lettest at teste.

Derfor er tungere kvanteobjekter næste skridt

Forsøg med kollapsmodeller søger at skabe rumlige superpositioner af objekter, der er langt tungere end individuelle atomer, og derefter lede efter et tab af kohærens, som ikke kan forklares af almindelig støj fra omgivelserne. Gennemgange af eksperimenter med kollapsmodeller peger på massive rumlige superpositioner som den mest direkte strategi, fordi modellerne kan forbyde superpositioner, som standardkvantemekanikken tillader. 33

Fremtidige interferometre med mesoskoperiske partikler, eksempelvis svævende nanodiamanter eller andre små krystaller, skal bevare kohærens samtidig med, at de kontrollerer almindelig miljøbetinget dekohærens meget nøje. Hvis sådanne systemer bevarer interferens længere end en models forudsagte henfald, vil det begrænse modellen. Hvis de derimod viser et reproducerbart ekstra tab af kohærens med den forventede afhængighed af masse, afstand og tid, vil det være et resultat, der kræver nærmere undersøgelse – selv om støj og andre ikke-gravitationelle forklaringer stadig skal udelukkes. 333436

Indtil videre er den mest præcise konklusion enkel: Under de testede betingelser ophobede en kvantemekanisk stofbølge i frit fald den gravitationsfase, som Einsteins ækvivalensprincip forudsiger. 24