אטומים נופלים מדדו את היסט הפאזה הקוונטי של הכבידה

צוות חוקרים בהובלת רון פולמן מדד ישירות היסט פאזה קוונטי שנגרם מכבידת כדור הארץ באטומי רובידיום מקוררים במיוחד. התוצאה, שהתקבלה במכשיר שכונה „אינטרפרומטר גלילאו הקוונטי”, תאמה — במסגרת דיוק המדידה — את התחזית הנגזרת מעקרון השקילות של איינשטיין בתנאי הניסוי. 24

מה בדיוק נמדד?

במכניקת הקוונטים חלקיק מתואר גם כגל. לגל כזה יש פאזה — מעין מיקום במחזור התנודה — שאי אפשר בדרך כלל למדוד בפני עצמה. אבל כשמפצלים גל לשני מסלולים קוהרנטיים ומאחדים אותם שוב, הפרש הפאזה ביניהם נחשף בתבנית ההתאבכות.

בניסוי, פולסי מיקרוגל יצרו סופרפוזיציה של שני מסלולים לאטומים סמוך לשבב אטומי. שדה מגנטי איזן כמעט את הכבידה עבור אחד המסלולים והחזיק אותו כמעט נייח במערכת המעבדה; המסלול האחר שוגר מעלה, נע במסלול בליסטי ונפל בחופשיות. כאשר שני המסלולים אוחדו מחדש, הפרש הפאזה הכבידתי הפך לאות התאבכות מדיד. 24

המשמעות המדויקת היא שבמשטר שנבדק — אטומי רובידיום קרים מאוד בשדה הכבידה החלש של כדור הארץ — ההתפתחות הקוונטית שנמדדה עולה בקנה אחד עם תחזית עקרון השקילות. זהו מבחן התאבכות של גלי חומר קוהרנטיים, ולא רק מדידה של מסלול נפילה קלאסי. 24

מה התוצאה כן אומרת — ומה לא

הניסוי יוצר גשר ניסויי חשוב בין שתי מסגרות פיזיקליות: מכניקת הקוונטים מתארת את הסופרפוזיציה וההתאבכות של האטום, והכבידה תורמת את הפרש הפאזה בין המסלולים. עם זאת, אין כאן איחוד של מכניקת הקוונטים והיחסות הכללית.

בפרט, התוצאה אינה מוכיחה שהכבידה עצמה מקוונטטת, אינה מגלה גרביטונים ואינה מכריעה אם תיאור יסודי של הכבידה הוא קוונטי או קלאסי. דרך ישירה יותר לבחינת אופייה הקוונטי של הכבידה תהיה להראות שכוח הכבידה יוצר שזירה קוונטית בין גופים מסיביים ומבודדים דיים. 34

היכן נכנסת השערת פנרוז?

רוג'ר פנרוז הציע אפשרות אחרת: סופרפוזיציה מרחבית של גוף מסיבי עשויה להתאים לגאומטריות מרחב־זמן חלופיות, שאינן יכולות להישאר קוהרנטיות ללא הגבלה. במודלים הקשורים לדיושי–פנרוז, זמן הדעיכה המשוער של הסופרפוזיציה קשור להפרש באנרגיית העצמי הכבידתית של התפלגויות המסה בשני המצבים. 36

זו השערה על מגבלה אפשרית של מכניקת הקוונטים הסטנדרטית, ולא מסקנה מניסוי הרובידיום. אטום יחיד אינו המערכת הכבדה והמרוחקת מרחבית שבה מודלים כאלה צפויים להיות קלים יותר לבחינה.

השלב הבא: סופרפוזיציות של גופים כבדים יותר

ניסויים במודלי קריסה שואפים ליצור סופרפוזיציות מרחביות של גופים כבדים בהרבה מאטומים ולחפש אובדן קוהרנטיות שלא ניתן להסבירו ברעש סביבתי רגיל. סקירות בתחום מצביעות על סופרפוזיציות של עצמים מסיביים כאסטרטגיה הישירה ביותר, משום שמודלים אלה עשויים לאסור מצבים שמכניקת הקוונטים הרגילה מתירה. 33

הצעות לעתיד כוללות גבישים זעירים בקנה מידה מיקרוני, ובהם ננו-יהלומים עם מרכזי חנקן־חסר (NV) המשמשים מערכות ספין. הרעיון הוא להכין סופרפוזיציה מרחבית של כל גביש ולבדוק אם האינטראקציה הכבידתית ביניהם מייצרת שזירה. 34

אתגר המפתח יהיה לשמר קוהרנטיות לאורך זמן ובו בזמן לדכא מקורות רגילים לדה־קוהרנטיות. אם מערכות כבדות ישמרו על התאבכות מעבר לזמן הדעיכה שמנבא מודל מסוים, הדבר יגביל את המודל. אם יימצא אובדן קוהרנטיות עודף, שחוזר על עצמו ותלוי במסה, בהפרדה ובזמן כפי שנחזה, זו תהיה עדות שתחייב בדיקה קפדנית — לאחר שלילת רעש והסברים לא־כבידתיים. 333436

לעת עתה, המסקנה המבוססת היא מצומצמת אך משמעותית: בתנאים שנבדקו, גל חומר קוונטי בנפילה חופשית צבר את הפאזה הכבידתית שחוזה עקרון השקילות של איינשטיין. 24