Atomien interferenssi mittasi painovoiman synnyttämän kvanttivaiheen

Kaksi reittiä, yksi mitattava vaihe-ero

Ron Folmanin johtama kansainvälinen tutkimusryhmä mittasi suoraan painovoiman aiheuttaman kvanttivaiheen eron ultrakylmän rubidiumatomin kahden koherentin reitin välillä. Toista reittiä kannateltiin magneettisesti painovoimaa vastaan, kun taas toinen laukaistiin ylöspäin ja sen annettiin pudota vapaasti. Reittien interferenssissä näkyvä siirtymä vastasi kokeen tarkkuuden rajoissa Einsteinin ekvivalenssiperiaatteesta johdettua ennustetta. 24

Kvanttivaihetta voi ajatella kahden vaihtoehtoisen atomihistorian väliseksi hienovaraiseksi eroksi: vaikka atomia ei tarkastella vain yhtenä klassisena kappaleena yhdellä radalla, sen mahdolliset reitit voivat säilyä koherentteina ja yhdistyä lopuksi interferenssiksi.

Näin mittaus tehtiin

Mikroaaltopulsseilla atomit asetettiin atomisirun läheisyydessä superpositioon, jossa niillä oli kaksi eri sisäiseen tilaan ja liikerataan liittyvää historiaa. Magneettikenttä piti toisen haaran käytännössä paikallaan painovoimaa vastaan. Toinen haara seurasi ballistista rataa: se liikkui ensin ylöspäin ja putosi sitten alas vapaasti.

Kun haarat yhdistettiin uudelleen, niiden suhteellinen vaihe muuttui mitattavaksi interferenssisignaaliksi. Juuri tästä signaalista voitiin päätellä painovoiman synnyttämä vaihe-ero. 24

Mitä tulos osoittaa – ja mitä ei

Koe osoittaa, että atomien kvanttievoluutio ja ekvivalenssiperiaatteen ennuste ovat tässä heikon Maan painovoiman ja atomimittakaavan tilanteessa sopusoinnussa havaintojen kanssa. Kyse on suorasta kvantti-interferenssiin perustuvasta painovoimaisen vapaan putoamisen vaiheen testistä, ei pelkästä klassisen kappaleen liikeradan tarkastelusta. 24

Tulos ei kuitenkaan yhdistä kvanttimekaniikkaa ja yleistä suhteellisuusteoriaa. Se ei myöskään todista painovoiman olevan kvantittunut, havaitse gravitoneja tai ratkaise sitä, onko painovoima pohjimmiltaan kvantti- vai klassinen ilmiö.

Painovoiman kvanttiluonteen testaaminen vaatisi esimerkiksi näyttöä siitä, että painovoima voi synnyttää lomittumista riittävän hyvin eristetyissä massoissa. Yksi ehdotettu lähestymistapa on tutkia, voiko painovoima lomittaa kaksi mikrometriluokan kidettä. 23

Miksi Penrosen ajatus edellyttää raskaampia kohteita

Nobelisti Roger Penrose on esittänyt painovoimaan liittyvän objektiivisen romahdusmekanismin. Ajatuksena on, että massiivisen kohteen paikkasuperpositio vastaisi kahta eri tavoin kaareutunutta aika-avaruutta. Tällainen tila olisi hänen ehdotuksessaan epävakaa, ja koherenssi häviäisi ajassa, joka liittyy superposition massajakaumien gravitaatioitseisenergiaeroon. 9

Yksittäinen rubidiumatomi on tähän tarkoitukseen liian kevyt. Selvästi vahvempi testi edellyttäisi raskaampien järjestelmien – esimerkiksi leijuvien nanodimanttien tai muiden mesoskooppisten hiukkasten – suuria ja pitkäkestoisia paikkasuperpositioita.

Tällaisissa kokeissa etsittäisiin interferenssin häviämistä nopeudella, jonka Penrose-tyyppiset mallit ennustavat. Ensin olisi kuitenkin suljettava huolellisesti pois tavanomainen ympäristön aiheuttama dekoherenssi. Jos koherenssi säilyisi pidempään kuin malli ennustaa, malli saisi rajoitteita. Jos taas havaittaisiin toistuva ylimääräinen koherenssin katoaminen oikealla massa-, etäisyys- ja aikariippuvuudella, se tukisi mallia – vaikka myös vaihtoehtoiset kohinalähteet olisi edelleen eliminoitava. 19