Twee kwantumproeven toetsen Einsteins equivalentieprincipe

Einsteins equivalentieprincipe stelt, kort gezegd, dat zwaartekracht en versnelling lokaal niet van elkaar te onderscheiden zijn. Ook zegt het dat voorwerpen in vrije val op dezelfde manier op zwaartekracht reageren. Twee recente experimenten met atoominterferometrie hebben dat idee nu in uitgesproken kwantumomstandigheden onderzocht.

De voorzichtige, maar belangrijke conclusie: binnen hun meetbereik gedroeg kwantummaterie zich zoals het equivalentieprincipe voorspelt. 231

Twee proeven, twee kanten van hetzelfde principe

De experimenten zijn aanvullend, niet dubbelop.

• De Quantum Galileo Interferometer op aarde onderzocht de fase van een coherente materiegolf tijdens vrije val.
• Het experiment aan boord van het Chinese ruimtestation onderzocht of twee rubidiumisotopen in vrije val exact dezelfde versnelling hebben.

In beide gevallen wordt het golfgedrag van atomen benut. Interferentie zet de invloed van zwaartekracht om in een meetbaar faseverschil. De eerste proef gaat vooral over de kwantumbeschrijving van de overgang tussen een laboratoriumstelsel en een vrij vallend stelsel. De tweede toetst het zwakke equivalentieprincipe: de universaliteit van vrije val. 231

De fase van een vallende kwantumgolf meten

In het aardse experiment gebruikten de onderzoekers een interferometer met ultrakoude atomen. Eén pakket van de materiegolf bleef stilstaand ten opzichte van het laboratorium, terwijl een ander pakket in vrije val ging. Bij vergelijking bleek het relatieve faseverschil overeen te komen met de voorspelde ijkfasede van een vrij vallend kwantumobject.

De auteurs omschrijven dit als een directe waarneming van de kwantumfase van vrije val in hun lage-energieregime. 12

Dat is wezenlijk anders dan alleen een klassieke valbaan meten. Bij een klassiek voorwerp laat de baan zien wat zwaartekracht doet; hier was juist de fase van een coherente kwantumgolf de centrale meetgrootheid. Door twee paden te vergelijken via interferentie wordt die normaal niet rechtstreeks waarneembare fase zichtbaar.

Twee atoomsoorten vergelijken in een baan om de aarde

Een andere onderzoeksgroep gebruikte aan boord van het Chinese ruimtestation een atoominterferometer met twee soorten atomen. Zij vergeleken ultrakoude wolken van rubidium-85 en rubidium-87: isotopen met verschillende massa's. Zowel de atomen als het ruimtestation bevinden zich tijdens de baan om de aarde voortdurend in vrije val. 1931

Om faseruis te beperken ontwikkelde het team onder meer onderdrukking van platformbewegingen, wisseling van fluorescentiedetectie en wisseling van de tweefotonontstemming. Op basis van 280 dagen aan meetgegevens voor het zwakke equivalentieprincipe rapporteerden de onderzoekers een meetonzekerheid van (2,8 \times 10^{-8}). Het resultaat, ((-3,1 \pm 4,6) \times 10^{-7}), is na hun foutenanalyse verenigbaar met nul verschil in versnelling. 2231

In gewone taal: op die nauwkeurigheid vonden de onderzoekers geen aanwijzing dat de twee rubidiumisotopen verschillend vallen.

Waarom atoominterferometers naar de ruimte brengen?

In microzwaartekracht kunnen atomen veel langer vrij evolueren dan in een valexperiment op aarde. Die langere meettijd kan een atoominterferometer gevoeliger maken voor versnelling — mits onderzoekers de coherentie, uitdijing van de atoomwolk, zwaartekrachtgradiënten en instrumentruis goed beheersen. 432

Een baan om de aarde is overigens niet vanzelf stil. Bewegingen en trillingen van een bemand ruimtestation kunnen ongewenste faseverschuivingen veroorzaken. Daarom was de onderdrukking van platformbewegingen zo belangrijk in het Chinese experiment. 1931

Wat de resultaten wel en niet aantonen

Dit zijn betekenisvolle compatibiliteitstests van relativistische principes met kwantummaterie. Ze bewijzen niet dat zwaartekracht zelf een kwantumverschijnsel is.

De experimenten tonen met name niet aan:

• dat een zwaartekrachtsveld in een kwantumsuperpositie kan bestaan;
• dat gravitonen bestaan;
• dat zwaartekracht twee massa's kan verstrengelen; of
• dat algemene relativiteit en kwantummechanica in één theorie zijn verenigd.

Beide proeven zijn te begrijpen als kwantumsystemen die evolueren in een in feite klassiek zwaartekrachtsveld en vervolgens worden vergeleken met voorspellingen uit het equivalentieprincipe. Ook sluiten ze niet elke mogelijke nieuwe natuurkunde uit: ze begrenzen alleen afwijkingen voor de gemeten atomen, omstandigheden en nauwkeurigheid.

De volgende stap: zwaarder, langer en stiller

Nanodiamanten en zwaardere kwantumobjecten

Een mogelijke route is superposities maken met objecten die veel zwaarder zijn dan atomen. Een voorgestelde interferometer op tafelbladformaat met nanodiamanten beschrijft bijvoorbeeld hoe ruimtelijke superposities, gekoppeld aan spins in nanodiamanten, kunnen worden voorbereid. De zwaartekrachtsinteractie tussen die superposities zou dan een verstrengelend effect kunnen veroorzaken.

Dit is een haalbaarheidsvoorstel, geen resultaat dat door de rubidiumexperimenten al is vastgesteld. 20

Dergelijke systemen kunnen ook helpen bij het onderzoeken van modellen waarin zwaartekracht een rol speelt bij het instorten van de golffunctie. De grote uitdaging is om eventueel ongewoon verlies van interferentiecontrast te onderscheiden van gewone decoherentie door de omgeving.

Langere vrije val en rustiger ruimteplatforms

Toekomstige concepten voor experimenten in een baan om de aarde willen tests met twee rubidiumisotopen veel verder aanscherpen. Een voorgestelde missie met een atoominterferometer op een ruimtestation mikt op metingen van de universaliteit van vrije val met een nauwkeurigheid beter dan (10^{-15}). Ook worden mogelijke tests van spin-zwaartekrachtkoppelingen en coherente golfpakketten met grote onderlinge afstand genoemd. 17

Daarvoor is meer nodig dan alleen langere vrije val: trillingsisolatie, stabiele lasers, controle over de atoombron en beheersing van systematische fouten zijn minstens zo belangrijk. Een speciaal ontworpen en stiller baanplatform kan daarom net zo doorslaggevend zijn als extra meettijd.

De kern

De doorbraak is niet dat kwantumzwaartekracht is ontdekt. Wel tonen twee heel verschillende kwantumproeven — één die de vrije-valfase van een materiegolf op aarde meet en één die isotopen in een baan om de aarde vergelijkt — resultaten die stroken met Einsteins equivalentieprincipe.

De volgende grens ligt bij gevoeligere tests, zwaardere objecten en betere isolatie. Daarmee kunnen onderzoekers uiteindelijk effecten onderzoeken die misschien niet meer met een zuiver klassieke beschrijving van zwaartekracht te verklaren zijn. 21731