Atom Jatuh Mengungkap Pergeseran Fase Kuantum yang Diprediksi Einstein

Tim peneliti yang dipimpin Ron Folman berhasil mengukur langsung pergeseran fase kuantum yang dipicu gravitasi Bumi pada atom rubidium ultradingin. Dengan Interferometer Quantum Galileo, mereka membandingkan dua lintasan gelombang atom yang koheren: satu hampir diam karena ditahan medan magnet, sementara yang lain diluncurkan ke atas lalu menempuh gerak jatuh bebas. Ketika kedua lintasan digabungkan kembali, sinyal interferensinya cocok—dalam batas ketelitian eksperimen—dengan fase yang diprediksi oleh prinsip ekuivalensi Einstein. 24

Apa yang sebenarnya diukur?

Dalam mekanika kuantum, partikel juga dapat dideskripsikan sebagai gelombang. Seiring berevolusi, gelombang itu mengumpulkan fase, yakni bagian dari sifat gelombang yang biasanya tidak bisa diamati secara langsung. Namun, bila dua gelombang yang tetap koheren dipertemukan kembali, perbedaan fasenya akan mengubah pola interferensi—dan itulah yang dapat diukur.

Dalam eksperimen ini, pulsa gelombang mikro membuat atom berada dalam superposisi: secara kuantum, atom memiliki dua riwayat lintasan sekaligus di dekat sebuah atom chip. Medan magnet menyeimbangkan gravitasi untuk satu cabang, sedangkan cabang lainnya mengikuti lintasan balistik: bergerak ke atas, lalu kembali jatuh bebas. Saat keduanya direkombinasikan, perbedaan fase gravitasi berubah menjadi sinyal interferensi yang terukur. 24

Hasil utamanya adalah pergeseran fase yang diamati konsisten dengan prediksi dari prinsip ekuivalensi. Prinsip ini merupakan gagasan penting dalam teori gravitasi Einstein: secara lokal, efek gravitasi dan keadaan jatuh bebas saling berkaitan. 24

Mengapa hasil ini penting?

Ini bukan sekadar pengamatan lintasan benda yang jatuh secara klasik. Yang diuji adalah gravitasi dalam interferometer, ketika objek yang relevan berupa gelombang materi kuantum koheren yang menempuh dua kemungkinan lintasan.

Dengan demikian, eksperimen tersebut menunjukkan bahwa untuk atom rubidium ultradingin dalam medan gravitasi Bumi yang lemah, evolusi kuantum yang terukur sejalan dengan prediksi prinsip ekuivalensi. 24

Temuan ini menjadi penghubung empiris yang penting antara dua kerangka teori yang kerap dipandang sulit dipadukan: mekanika kuantum menjelaskan superposisi dan interferensi atom, sedangkan gravitasi menghasilkan perbedaan fase di antara dua lintasan itu.

Yang belum dibuktikan oleh eksperimen ini

Hasil tersebut bukan penyatuan mekanika kuantum dan relativitas umum. Eksperimen ini juga tidak membuktikan bahwa gravitasi terkuantisasi, tidak mendeteksi graviton, dan belum dapat membedakan secara tegas apakah gravitasi pada dasarnya merupakan teori kuantum atau klasik. 23

Salah satu cara yang lebih langsung untuk menguji sifat kuantum gravitasi adalah menunjukkan bahwa gravitasi mampu menciptakan keterikatan kuantum (entanglement) antara objek bermassa yang cukup terisolasi. Usulan eksperimen di masa depan menargetkan dua kristal berukuran mikron dalam superposisi spasial, misalnya nanodiaman yang memiliki sistem spin tertanam, lalu menguji apakah interaksi gravitasi keduanya menghasilkan keterikatan. 34

Posisi hipotesis keruntuhan Roger Penrose

Roger Penrose mengajukan kemungkinan lain: objek yang cukup masif dalam superposisi spasial akan berkaitan dengan alternatif geometri ruang-waktu yang berbeda dan tidak dapat mempertahankan koherensi tanpa batas waktu. Dalam model terkait Diósi–Penrose, waktu peluruhan yang diperkirakan berkaitan dengan perbedaan energi-diri gravitasi dari distribusi massa pada keadaan-keadaan yang tersuperposisi. 36

Ini adalah hipotesis tentang kemungkinan batas bagi mekanika kuantum standar, bukan kesimpulan dari eksperimen rubidium tersebut. Satu atom bukanlah sistem bermassa besar dengan pemisahan spasial yang jauh—kondisi yang diperkirakan lebih cocok untuk menguji model semacam itu.

Mengapa objek kuantum yang lebih berat menjadi tahap berikutnya

Pengujian model keruntuhan berupaya menciptakan superposisi spasial pada objek yang jauh lebih masif daripada atom tunggal, lalu mencari hilangnya koherensi yang tidak dapat dijelaskan oleh gangguan lingkungan biasa. Tinjauan eksperimen model keruntuhan menempatkan superposisi spasial objek masif sebagai strategi paling langsung, karena model tersebut dapat melarang superposisi yang sebenarnya diizinkan oleh teori kuantum standar. 33

Interferometer masa depan yang memakai partikel mesоскопik—seperti nanodiaman levitasi atau kristal kecil lainnya—harus mampu mempertahankan koherensi sambil menekan sumber dekoherensi biasa dari lingkungan. Bila interferensi tetap bertahan melampaui waktu peluruhan yang diprediksi sebuah model, model itu akan makin dibatasi. Sebaliknya, jika muncul hilangnya koherensi tambahan yang berulang dan mengikuti ketergantungan yang diprediksi terhadap massa, jarak pemisahan, serta waktu, temuan itu layak diteliti lebih lanjut. Namun, gangguan eksperimen dan penjelasan non-gravitasi lain tetap harus disingkirkan terlebih dahulu. 333436

Untuk saat ini, kesimpulan paling tepat dari Interferometer Quantum Galileo adalah: dalam kondisi yang diuji, gelombang materi kuantum yang jatuh bebas mengumpulkan fase gravitasi sebagaimana diprediksi oleh prinsip ekuivalensi Einstein. 24