Atom ultradingin menunjukkan jejak fase kuantum dari gravitasi

Eksperimen ini mengukur secara langsung perbedaan fase kuantum yang ditimbulkan gravitasi pada dua lintasan koheren atom rubidium ultradingin. Satu lintasan atom ditopang medan magnet sehingga pada dasarnya tetap diam melawan gravitasi, sementara lintasan lainnya diluncurkan ke atas kemudian jatuh bebas. Ketika kedua lintasan digabungkan kembali, perbedaan fasenya muncul sebagai pergeseran pola interferensi. Nilai pergeseran itu konsisten—dalam ketelitian eksperimen—dengan prediksi prinsip ekuivalensi Einstein untuk kedua lintasan tersebut. 24

Cara eksperimennya bekerja

Pulsa gelombang mikro menempatkan atom-atom di dekat atom chip ke dalam superposisi dua riwayat keadaan internal sekaligus lintasan. Medan magnet mempertahankan satu cabang atom terhadap tarikan gravitasi, sedangkan cabang lain menjalani lintasan balistik: naik lalu turun dalam jatuh bebas. Saat keduanya direkombinasikan, fase relatif di antara cabang-cabang itu dapat dibaca dari sinyal interferensi. 24

Secara sederhana, ini bukan sekadar melihat apakah benda jatuh mengikuti gravitasi. Peneliti menggunakan interferensi—ciri khas sistem kuantum—untuk membaca dampak gravitasi pada evolusi fase atom.

Apa yang benar-benar dibuktikan?

Dalam kondisi atomik dan gravitasi Bumi yang lemah, hasil pengukuran mendukung kecocokan antara evolusi kuantum biasa dan prediksi prinsip ekuivalensi. Prinsip ini, yang menjadi salah satu dasar relativitas umum Einstein, menyatakan bahwa efek gravitasi dan percepatan setempat tidak dapat dibedakan secara sederhana.

Dengan demikian, temuan tersebut merupakan pengujian langsung fase jatuh bebas melalui interferensi kuantum, bukan hanya pengujian lintasan klasik sebuah benda yang jatuh. 24

Apa yang belum bisa disimpulkan?

Hasil ini tidak menyatukan mekanika kuantum dengan relativitas umum. Eksperimen tersebut juga tidak membuktikan bahwa medan gravitasi itu sendiri bersifat kuantum, tidak mendeteksi graviton, dan tidak menentukan apakah gravitasi pada dasarnya kuantum atau klasik.

Untuk menguji sifat kuantum gravitasi secara lebih langsung, salah satu contoh yang diusulkan adalah menunjukkan bahwa gravitasi dapat menciptakan keterikatan kuantum (entanglement) antara massa-massa yang cukup terisolasi. 23

Mengapa gagasan Roger Penrose tetap relevan?

Roger Penrose mengajukan hipotesis keruntuhan fungsi gelombang yang terkait gravitasi. Menurut gagasan ini, objek bermassa yang berada dalam superposisi spasial akan berkaitan dengan dua kelengkungan ruangwaktu yang berbeda. Keadaan tersebut diduga tidak stabil, sehingga koherensinya akan meluruh pada skala waktu yang terkait dengan perbedaan energi diri gravitasi dari dua distribusi massanya. 9

Satu atom rubidium terlalu ringan untuk menjadi pengujian kuat bagi kemungkinan keruntuhan yang bergantung pada massa tersebut. Karena itu, eksperimen masa depan perlu menciptakan superposisi spasial besar yang bertahan lama pada sistem lebih berat, misalnya nanodiamond yang dilevitasi atau partikel mesoscopic lainnya.

Jika interferensi hilang pada laju yang tak dapat dijelaskan oleh gangguan lingkungan biasa—dan skalanya sesuai dengan massa, pemisahan, serta waktu yang diprediksi model Penrose—hasil itu dapat mendukung model tersebut. Sebaliknya, koherensi yang bertahan melampaui peluruhan prediksi model akan mempersempit ruang kemungkinan model itu. Dalam kedua kasus, sumber dekoherensi biasa harus disingkirkan dengan sangat ketat terlebih dahulu. 19