Putoavat atomit paljastivat painovoiman ennustaman kvanttivaihesiirron

Ron Folmanin johtama tutkijaryhmä mittasi suoraan Maan painovoiman ultrakylmien rubidiumatomien kvanttiaallolle aiheuttaman vaihesiirron. Quantum Galileo Interferometer -laitteistossa verrattiin kahta koherenttia atomiaaltoreittiä: toinen pidettiin lähes paikallaan magneettikentän avulla, toinen laukaistiin ylöspäin ja sen annettiin pudota vapaasti. Kun reitit yhdistettiin uudelleen, interferenssisignaali vastasi kokeen tarkkuuden rajoissa Einsteinin ekvivalenssiperiaatteesta johdettua ennustetta. 24

Mitä kokeessa mitattiin?

Kvanttihiukkasia kuvataan aalloilla, joiden vaihe muuttuu niiden kehittyessä. Vaihe ei yleensä ole yksinään suoraan havaittavissa. Kun kaksi koherenttia aallon osaa kuitenkin tuodaan yhteen, niiden suhteellinen vaihe näkyy interferenssikuviossa.

Tässä kokeessa mikroaaltopulssit loivat atomisirun lähellä atomille superposition kahdesta vaihtoehtoisesta kehityshistoriasta. Magneettikenttä vastusti painovoimaa yhdessä haarassa, kun taas toinen haara kulki ylöspäin suuntautuvan ja takaisin alas putoavan ballistisen radan. Haarojen yhdistäminen muutti niiden välisen gravitaatioperäisen vaihe-eron mitattavaksi interferenssisignaaliksi. 24

Keskeinen tulos on, että havaittu vaihesiirto oli mittauksen tarkkuuden rajoissa yhdenmukainen ekvivalenssiperiaatteeseen perustuvan ennusteen kanssa. Ekvivalenssiperiaate on Einsteinin painovoimateorian periaate, joka yhdistää paikallisesti vapaan putoamisen ja gravitaation. 24

Miksi tulos on merkittävä?

Kyse ei ole vain klassisen putoamisradan mittaamisesta. Painovoimaa testattiin interferometrissä, jossa tutkittava kohde oli koherentti kvanttinen aineaalto, joka seurasi samanaikaisesti kahta vaihtoehtoista reittiä. Kokeen perusteella ultrakylmien rubidiumatomien kvanttievoluutio Maan heikossa painovoimakentässä on mitatussa tilanteessa sopusoinnussa ekvivalenssiperiaatteen ennusteen kanssa. 24

Tulos tarjoaa havaintoihin perustuvan yhteyden kahden usein jännitteisessä suhteessa esitetyn teorian välille: kvanttimekaniikka kuvaa atomin superposition ja interferenssin, kun taas painovoima tuottaa reittien välisen vaihe-eron.

Mitä tutkimus ei osoita?

Tulosta ei pidä tulkita kvanttimekaniikan ja yleisen suhteellisuusteorian yhdistämiseksi. Se ei osoita painovoiman olevan kvantittunut, havaitse gravitoneja eikä ratkaise, onko painovoima perustaltaan kvanttinen vai klassinen. 23

Suorempi tapa tutkia painovoiman kvanttiluonnetta olisi osoittaa, että painovoima voi synnyttää lomittumista riittävän hyvin eristetyissä massiivisissa kohteissa. Ehdotetuissa kokeissa pyritään luomaan paikka-superpositioita mikrometriluokan kiteille, mahdollisesti nanodiamanteille, joissa on sisäänrakennettuja spinjärjestelmiä, ja tutkimaan synnyttääkö niiden keskinäinen gravitaatiovuorovaikutus lomittumista. 34

Miten Roger Penrosen romahdushypoteesi liittyy asiaan?

Roger Penrose on esittänyt vaihtoehtoisen mahdollisuuden: riittävän massiivinen kohde, joka on paikkasuperpositiossa, vastaisi vaihtoehtoisia avaruusajan geometrioita, jotka eivät voisi säilyä koherentteina rajatta. Tähän liittyvissä Diósi–Penrose-malleissa superposition arvioitu hajoamisaika kytkeytyy superpositiossa olevien massajakaumien gravitaatioitseisenergian eroon. 36

Kyse on hypoteesista mahdollisesta kvanttimekaniikan standardimuotoisen kuvauksen rajasta, ei rubidiumkokeen johtopäätöksestä. Yksittäinen atomi ei ole sellainen suuri ja avaruudellisesti eriytynyt massajärjestelmä, jossa näitä malleja olisi helpoimmin mahdollista testata.

Seuraava raja: raskaammat kvanttikohteet

Romahdusmallien kokeissa pyritään luomaan paljon yksittäisiä atomeja massiivisempien kohteiden paikkasuperpositioita ja etsimään koherenssin häviämistä, jota tavanomainen ympäristöstä johtuva kohina ei selitä. Romahdusmalleja käsittelevien katsausten mukaan massiivisten kohteiden paikkasuperpositiot ovat suoraviivaisin testikeino, sillä mallit voivat kieltää superpositioita, jotka tavallinen kvanttimekaniikka sallii. 33

Mesoskooppisia hiukkasia, kuten levitoituja nanodiamantteja tai muita pieniä kiteitä, hyödyntävien interferometrien pitäisi säilyttää koherenssi ja samalla hallita tarkasti ympäristön aiheuttamaa dekoherenssia. Jos järjestelmä säilyttäisi interferenssin pidempään kuin jokin malli ennustaa, malli rajoittuisi. Jos taas havaittaisiin toistettavasti ylimääräistä koherenssin katoamista, jonka riippuvuus massasta, etäisyydestä ja ajasta vastaisi ennustetta, havainto olisi tutkimisen arvoinen. Silloinkin mittauskohina ja muut kuin gravitaatioperäiset selitykset olisi suljettava pois. 333436

Toistaiseksi Quantum Galileo Interferometerin tulos on syytä tiivistää tarkasti: testatussa tilanteessa vapaasti putoava kvanttinen aineaalto keräsi sen gravitaatioperäisen vaiheen, jonka Einsteinin ekvivalenssiperiaate ennustaa. 24