נמדד לראשונה: הפאזה הכבידתית של אטום קוונטי בנפילה חופשית

צוות בינלאומי בהשתתפות חוקרים מאוניברסיטת בן־גוריון בנגב, אוניברסיטת אולם ואוניברסיטת אוקספורד מדד ישירות אפקט כבידתי שנחזה עבור עצם קוונטי בנפילה חופשית. במרכז העבודה עומד אינטרפרומטר גלילאו הקוונטי: המכשיר אפשר להשוות בין ענף אחד של גל-חומר אטומי, שנשאר מוחזק ביחס למעבדה, לבין ענף אחר שנפל בחופשיות.

המדידה באטומי רובידיום קרים במיוחד תאמה את הפאזה היחסית הצפויה כאשר מחילים את עקרון השקילות של איינשטיין על מערכת קוונטית באנרגיה נמוכה. 12

כך פעל האינטרפרומטר

החוקרים קיררו אטומי רובידיום לטמפרטורות נמוכות מאוד, שבהן אפשר לשלוט באופן קוהרנטי בהתנהגותם הגלית. לאחר מכן הם פיצלו את פונקציית הגל של האטומים לשתי חבילות גל נפרדות במרחב. 12

מסלול אחד הוחזק בקירוב במנוחה ביחס למעבדה בעזרת שדות מגנטיים. המסלול האחר שוגר ואז שוחרר לנפילה חופשית — כלומר, במהלך נפילתו לא הופעל עליו כוח מצד הנסיינים. 2

בתום פרק זמן מבוקר אוחדו שני המסלולים. כשהגלים חופפים הם מתאבכים, ודפוס ההתאבכות מגלה את הפאזה היחסית: ההפרש בין ההתפתחות של הגל הקוונטי בשני המסלולים. מאחר שענף אחד נפל בחופשיות והאחר נתמך, ניתן היה לבודד את הפאזה הקשורה לנפילה החופשית הקוונטית. 2

מה הקשר לעקרון השקילות של איינשטיין?

עקרון השקילות קובע שבאופן מקומי, עבור צופה הנמצא בנפילה חופשית, השפעות הכבידה נעלמות. המדידה החדשה בוחנת כיצד העיקרון הזה משתלב עם גל-חומר שנמצא בסופרפוזיציה קוהרנטית של מסלולים שונים.

הפאזה היחסית שנמדדה תאמה לחיזוי עבור נפילה חופשית. בתחום שנבחן, זו ראיה לכך שאפשר להחיל בעקביות את עקרון השקילות גם על עצם קוונטי — ולא רק על חלקיק קלאסי בעל מסלול מוגדר. 12

ההבחנה חשובה: הניסוי לא הסתפק במדידת התאוצה הממוצעת של ענן אטומים. פונקציית הגל של האטום הייתה בסופרפוזיציה, והחוקרים קראו את הפרש הפאזה בין שני ענפיה. 12

מה הניסוי לא הוכיח

אין לתאר את התוצאה כגילוי של כבידה קוונטית.

היא אינה מאחדת את מכניקת הקוונטים עם תורת היחסות הכללית. בחישוב מסוג זה האטום מתואר באופן קוונטי, בעוד שהכבידה משמשת כרקע קלאסי. הניסוי מאשר שהמסגרת המקובלת הזאת חוזה נכון את הפאזה בתנאים שנבדקו. 2

הוא גם אינו מוכיח שהכבידה עצמה היא שדה קוונטי או שהיא נושאת מידע קוונטי. עד כה, שום ניסוי לא סיפק ראיה מכרעת לתכונות קוונטיות של האינטראקציה הכבידתית. 4855

אחת ההצעות הנפוצות לבדיקת שאלה זו היא להכין שני גופים מסיביים במצבים קוונטיים ולחפש שזירה הנוצרת אך ורק מהאינטראקציה הכבידתית ביניהם. אלא שהמשמעות של ניסויים כאלה תלויה בהנחות תאורטיות, והוויכוח נמשך בשאלה אם מסגרות מסוימות של כבידה קלאסית יכולות לשחזר אפקטים דמויי שזירה. 515359

מדוע זו אינה בדיקה של קריסת פונקציית הגל לפי פנרוז

רוג'ר פנרוז הציע שסופרפוזיציות מרחביות גדולות דיין עלולות לאבד קוהרנטיות באופן ספונטני, בגלל התפלגויות המסה השונות שלהן. אינטרפרומטר גלילאו הקוונטי, לעומת זאת, מדד פאזה קוהרנטית של גלי-חומר אטומיים; הוא לא תוכנן לחפש ירידה חריגה בנראות ההתאבכות של סופרפוזיציות מסיביות וארוכות־חיים.

כדי לבדוק מודלים של קריסה נדרשים ניסויים המשנים באופן שיטתי את המסה, ההפרדה המרחבית וזמן הקוהרנטיות — ובמקביל שוללים מקורות רגילים לדה-קוהרנטיות. התנגשויות, רעש אלקטרומגנטי, רעידות ופגמים טכניים יכולים כולם להחליש את ההתאבכות, בלי להעיד על מנגנון כבידתי חדש.

לכן המדידה החדשה תומכת בקוהרנטיות קוונטית רגילה בתחום האטומי שנבדק. היא אינה מאשרת, וגם אינה שוללת באופן מכריע, מודלי קריסה המכוונים לעצמים גדולים בהרבה.

למה ננו־יהלומים הם יעד הגיוני להמשך

אינטרפרומטרים מוצעים עם ננו־יהלומים נועדו לדחוף את ניסויי גל-החומר לטווח מסות גבוה בהרבה. מרכז חנקן־חסר (NV) המשובץ בננו־יהלום יכול לספק דרגת חופש של ספין; גרדיאנטים מגנטיים יכולים להשתמש בה כדי ליצור ולשלוט בסופרפוזיציה מרחבית. 1721

הצעה אחת המבוססת על שבב מכוונת לחלקיקים בטווח מסות משוער של (10^{-19}) עד (10^{-15}) קילוגרם. 20 ניסויים כאלה עשויים לאפשר בדיקה של השאלה אם קוהרנטיות קוונטית נמשכת גם כשהעצם נעשה כבד ורגיש יותר להפרעות סביבתיות.

אם סופרפוזיציה מסיבית ומבודדת היטב תשרוד מעבר לגבול שחוזה מודל קריסה מסוים, הדבר עשוי להגביל את המודל. אם ההתאבכות תיעלם, יהיה צורך להראות תחילה שדה-קוהרנטיות רגילה אינה מסבירה את התוצאה.

במה זה שונה מניסוי האטומים בתחנת החלל טיינגונג?

אינטרפרומטר גלילאו הקוונטי וניסוי אינטרפרומטריית האטומים בתחנת החלל הסינית טיינגונג עוסקים שניהם בכבידה ובאטומים קרים במיוחד, אבל בודקים שאלות שונות.

בטיינגונג נעשה שימוש באינטרפרומטר אטומי דו־מיני של האיזוטופים (^{85})Rb ו־(^{87})Rb, כדי להשוות את תאוצות הנפילה החופשית שלהם במסלול. מ־280 ימי נתונים דווחה אי־ודאות של (2.8\times10^{-8}) בבדיקת עקרון השקילות החלש, והתוצאה שדווחה הייתה ((-3.1\pm4.6)\times10^{-7}). 3541

זוהי בדיקה של אוניברסליות הנפילה החופשית: האם גופי מבחן שונים מואצים באותה צורה באותו שדה כבידה?

אינטרפרומטר גלילאו הקוונטי, מנגד, משווה שני ענפים של אותו גל-חומר קוהרנטי — אחד נתמך ואחד בנפילה חופשית — כדי למדוד את הפאזה הקוונטית החזויה של נפילה חופשית. 2

שני הניסויים תומכים בפיזיקה של עקרון השקילות בעזרת אטומים קוונטיים. אף אחד מהם, כשלעצמו, אינו מדגים שהכבידה מקוונטטת.

המסקנה המדויקת

אינטרפרומטר גלילאו הקוונטי השיג אבן דרך ממוקדת אך חשובה: הוא צפה ישירות בפאזה הכבידתית החזויה של גל-חומר אטומי בנפילה חופשית. ההתאמה לתיאוריה מרחיבה את בדיקת עקרון השקילות למצב שבו העצם מצוי בסופרפוזיציה קוונטית נשלטת. 12

חשיבותו של הממצא ברורה דווקא כשמנסחים אותה בזהירות: זו ראיה חזקה לכך שמכניקת הקוונטים ועקרון השקילות של איינשטיין נותרים תואמים בתחום האנרגיות הנמוכות שנמדד — לא תיאוריה שלמה של כבידה קוונטית, ועדיין לא בדיקה של קריסה קוונטית המונעת מכבידה.