Eksperimen atom mengukur kesan graviti pada fasa kuantum

Pasukan antarabangsa yang diketuai Ron Folman mengukur secara langsung perbezaan fasa kuantum yang disebabkan oleh graviti antara dua laluan koheren atom rubidium ultra-sejuk. Satu laluan disokong oleh medan magnet sehingga hampir pegun melawan graviti, manakala satu lagi dilancarkan ke atas lalu bergerak dalam trajektori jatuh bebas. Anjakan corak gangguan yang terhasil sepadan, dalam had ketepatan eksperimen, dengan fasa yang diramalkan oleh prinsip kesetaraan Einstein bagi dua laluan tersebut. 24

Bagaimana eksperimen itu berfungsi

Denyutan gelombang mikro meletakkan atom berhampiran cip atom dalam superposisi dua sejarah keadaan dalaman dan laluan. Medan magnet menahan satu cabang atom hampir pegun terhadap tarikan graviti, sementara cabang satu lagi bergerak secara balistik — naik dan kemudian turun dalam jatuh bebas. Apabila kedua-dua cabang digabungkan semula, perbezaan fasa antara mereka diterjemahkan kepada isyarat gangguan yang boleh diukur. 24

Apa yang sebenarnya dibuktikan

Dalam keadaan atom dan graviti Bumi yang lemah ini, keputusan menyokong ramalan evolusi kuantum biasa bersama prinsip kesetaraan. Yang penting, ia merupakan ujian gangguan kuantum secara langsung terhadap fasa yang terkumpul semasa jatuh bebas, bukannya hanya mengukur sama ada objek mengikut trajektori klasik. 24

Apa yang belum dibuktikan

Eksperimen ini tidak menyatukan mekanik kuantum dengan relativiti am. Ia juga tidak membuktikan bahawa graviti sendiri telah dikuantumkan, tidak mengesan graviton, dan tidak menentukan sama ada graviti pada asasnya kuantum atau klasik.

Untuk menguji sifat kuantum graviti dengan lebih tegas, satu contoh pendekatan ialah mencari bukti bahawa graviti boleh menghasilkan belitan kuantum antara dua jisim yang cukup terasing. Cadangan sedemikian melibatkan superposisi kuantum bagi objek yang jauh lebih besar, seperti hablur berskala mikron atau nanodiamond dengan pusat nitrogen-vakansi. 23

Kaitannya dengan cadangan Roger Penrose

Roger Penrose mencadangkan mekanisme keruntuhan objektif yang berkaitan dengan graviti. Dalam gambaran ini, objek berjisim dalam superposisi ruang akan seolah-olah menghasilkan dua geometri ruang-masa yang berbeza. Keadaan itu dicadangkan tidak stabil, lalu koherens kuantumnya mereput pada skala masa yang berkait dengan perbezaan tenaga kendiri graviti bagi dua taburan jisim tersebut. 9

Satu atom rubidium terlalu ringan untuk menguji secara kuat keruntuhan yang bergantung pada jisim itu. Interferometer masa depan yang boleh menghasilkan superposisi ruang besar dan tahan lama bagi objek lebih berat — misalnya nanodiamond terlevitasi atau zarah mesоскопik lain — boleh mencari kehilangan gangguan yang tidak dapat dijelaskan oleh punca biasa. Namun, sebelum sebarang isyarat boleh dikaitkan dengan model Penrose, penyahkoherenan biasa daripada persekitaran perlu disingkirkan dengan teliti. 19

Jika koherens kekal lebih lama daripada kadar pereputan yang diramalkan, model tersebut akan semakin terhad. Sebaliknya, pereputan tambahan yang boleh dihasilkan semula dan menunjukkan hubungan yang dijangka dengan jisim, pemisahan dan masa akan menyokong model itu — walaupun penjelasan lain seperti hingar eksperimen masih perlu ditolak. 19