Atom Jatuh Bebas Lulus Uji Einstein di Dunia Kuantum

Tim internasional yang melibatkan peneliti dari Ben-Gurion University of the Negev, University of Ulm, dan University of Oxford berhasil mengukur secara langsung fase gravitasi yang diprediksi pada sebuah objek kuantum dalam jatuh bebas. Dengan Interferometer Kuantum Galileo, mereka menggunakan atom rubidium ultradingin untuk membandingkan satu cabang gelombang materi yang ditahan di kerangka laboratorium dengan cabang lain yang dibiarkan jatuh bebas. Fase yang terukur cocok dengan prediksi yang diperoleh dari penerapan prinsip ekuivalensi Einstein dalam kondisi kuantum berenergi rendah. 12

Apa yang sebenarnya diukur?

Dalam mekanika kuantum, atom tidak selalu harus diperlakukan seperti titik kecil yang mengikuti satu jalur pasti. Atom juga dapat digambarkan sebagai gelombang materi. Gelombang ini memiliki fase, yakni besaran yang menentukan bagaimana gelombang akan saling memperkuat atau saling meniadakan ketika bertemu kembali.

Tim peneliti mendinginkan atom rubidium hingga suhu sangat rendah agar perilaku gelombangnya dapat dikendalikan secara koheren. Lalu, fungsi gelombang atom dipecah menjadi dua paket gelombang yang menempuh lintasan berbeda. 12

• Lintasan pertama ditahan kira-kira tetap relatif terhadap laboratorium menggunakan medan magnet.
• Lintasan kedua diluncurkan lalu dibiarkan jatuh bebas—artinya, selama jatuh peneliti tidak memberikan gaya pada cabang tersebut. 2

Setelah selang waktu yang terkontrol, kedua cabang digabungkan kembali. Pola interferensi yang muncul, mirip riak air yang bertemu, memuat informasi tentang perbedaan fase antara keduanya. Karena satu cabang jatuh bebas sedangkan cabang lainnya ditopang, pengukuran itu mengisolasi fase kuantum yang terkait dengan jatuh bebas. 2

Mengapa ini mendukung prinsip ekuivalensi Einstein?

Prinsip ekuivalensi Einstein menyatakan bahwa secara lokal, seorang pengamat yang jatuh bebas tidak merasakan efek gravitasi. Prinsip ini merupakan salah satu fondasi relativitas umum.

Eksperimen baru ini menguji prinsip tersebut dalam situasi yang lebih subtil: atom berada dalam superposisi, sehingga gelombang materinya tersebar secara koheren pada dua lintasan. Fase relatif yang diukur sesuai dengan prediksi untuk benda yang jatuh bebas. Dalam rezim yang diuji, hasil ini menunjukkan bahwa prinsip ekuivalensi dapat diterapkan secara konsisten pada objek kuantum, bukan hanya pada benda klasik yang memiliki satu lintasan tegas. 12

Poin pentingnya, tim tidak sekadar mengamati percepatan rata-rata awan atom. Mereka membaca perbedaan fase antara dua cabang dari gelombang atom yang sama. 12

Bukan penemuan gravitasi kuantum

Makna hasil ini perlu dijaga agar tidak berlebihan. Eksperimen tersebut tidak menyatukan mekanika kuantum dengan relativitas umum.

Dalam perhitungan energi rendah seperti ini, atom diperlakukan secara kuantum, sedangkan gravitasi dipakai sebagai medan latar klasik. Hasilnya menegaskan bahwa kerangka yang lazim digunakan itu memprediksi fase yang teramati dengan benar dalam kondisi eksperimen. 2

Eksperimen ini juga tidak membuktikan bahwa gravitasi adalah medan kuantum atau bahwa gravitasi dapat membawa informasi kuantum. Hingga kini, belum ada eksperimen yang memberikan bukti konklusif mengenai sifat kuantum dari interaksi gravitasi. 4855

Salah satu jalur yang sering diusulkan adalah menempatkan dua massa dalam keadaan kuantum dan mencari keterjeratan (entanglement) yang muncul semata-mata melalui interaksi gravitasi. Namun, penafsiran eksperimen seperti itu bergantung pada asumsi teoretis, dan perdebatan masih berlangsung mengenai kemungkinan beberapa kerangka gravitasi klasik menghasilkan efek yang menyerupai keterjeratan. 515359

Mengapa ini bukan uji gagasan kolaps gravitasi Penrose?

Fisikawan Roger Penrose mengusulkan bahwa superposisi ruang yang cukup besar dapat kehilangan koherensinya secara spontan karena distribusi massanya berbeda. Interferometer Kuantum Galileo tidak dirancang untuk mencari hilangnya visibilitas interferensi secara anomali pada superposisi benda besar yang bertahan lama.

Yang diukur di sini adalah fase koheren gelombang materi atom. Untuk menguji model kolaps, eksperimen perlu mengubah massa, pemisahan spasial, dan lama waktu koherensi sambil menyingkirkan sumber dekoherensi biasa.

Tabrakan dengan partikel lingkungan, gangguan elektromagnetik, getaran, serta ketidaksempurnaan teknis semuanya dapat mengurangi visibilitas interferensi tanpa menandakan mekanisme gravitasi baru. Jadi, hasil baru ini mendukung koherensi kuantum biasa pada skala atom yang diuji, tetapi tidak mengonfirmasi maupun secara tegas menyingkirkan model kolaps yang ditujukan bagi objek jauh lebih besar.

Mengapa nanodiamond menjadi target berikutnya?

Interferometer yang diusulkan menggunakan nanodiamond bertujuan mendorong eksperimen gelombang materi ke rentang massa yang jauh lebih besar. Pusat nitrogen-vacancy (NV) di dalam nanodiamond dapat menyediakan derajat kebebasan spin, yang kemudian dapat digunakan gradien magnet untuk membuat serta mengendalikan superposisi spasial. 1721

Satu proposal berbasis cip menargetkan partikel dengan kisaran massa sekitar (10^{-19}) hingga (10^{-15}) kilogram. 20 Eksperimen semacam itu dapat menguji apakah koherensi kuantum tetap bertahan saat objek menjadi lebih masif dan lebih rentan terhadap gangguan lingkungan.

Jika superposisi besar yang terisolasi dengan baik bertahan melampaui batas yang diprediksi suatu model kolaps, model itu dapat dibatasi. Sebaliknya, jika interferensi menghilang, peneliti harus terlebih dahulu menunjukkan bahwa dekoherensi biasa bukan penyebabnya.

Bedanya dengan uji atom di Stasiun Luar Angkasa Tiangong

Interferometer Kuantum Galileo dan eksperimen interferometri atom di Stasiun Luar Angkasa China, Tiangong, sama-sama menggunakan atom ultradingin untuk meneliti gravitasi. Namun, pertanyaan yang diajukan berbeda.

Tiangong memakai interferometer atom dua spesies, (^{85})Rb dan (^{87})Rb, untuk membandingkan percepatan jatuh bebas dua isotop rubidium di orbit. Dari 280 hari data, eksperimen itu melaporkan ketidakpastian uji prinsip ekuivalensi lemah sebesar (2{,}8\times10^{-8}), dengan hasil ((-3{,}1\pm4{,}6)\times10^{-7}). 3541

Itu adalah pengujian universalitas jatuh bebas: apakah benda uji yang berbeda mengalami percepatan sama dalam medan gravitasi yang sama?

Sebaliknya, Interferometer Kuantum Galileo membandingkan dua cabang dari gelombang materi koheren yang sama—satu ditopang dan satu jatuh bebas—untuk mengukur fase kuantum jatuh bebas yang diprediksi. 2

Kedua eksperimen mendukung fisika prinsip ekuivalensi menggunakan atom kuantum. Namun, keduanya sendiri belum menunjukkan bahwa gravitasi telah dikuantisasi.

Kesimpulan yang paling tepat

Interferometer Kuantum Galileo mencapai tonggak yang spesifik tetapi penting: pengamatan langsung terhadap fase gravitasi yang diprediksi pada gelombang materi atom dalam jatuh bebas. Kecocokan dengan teori memperluas pengujian prinsip ekuivalensi ke situasi ketika objek berada dalam superposisi kuantum yang dikendalikan. 12

Signifikansinya paling kuat jika dirumuskan dengan hati-hati: ini adalah bukti kuat bahwa mekanika kuantum dan prinsip ekuivalensi Einstein tetap selaras dalam rezim energi rendah yang diukur—bukan teori gravitasi kuantum yang sudah tuntas, dan belum merupakan pengujian kolaps kuantum yang dipicu gravitasi.