Atomeninterferometer meet zwaartekrachtsfase: wat de meting wel en niet bewijst

De internationale onderzoeksgroep onder leiding van Ron Folman heeft rechtstreeks het door zwaartekracht veroorzaakte kwantumfaseverschil gemeten tussen twee coherente paden van ultrakoude rubidiumatomen. Eén atoomtak werd magnetisch vrijwel stilgehouden tegen de zwaartekracht in; de andere werd omhoog gelanceerd en volgde vervolgens een vrije-valtraject. Het verschuiven van het interferentiepatroon kwam, binnen de meetnauwkeurigheid, overeen met de fase die Einsteins equivalentieprincipe voor deze paden voorspelt. 24

Zo werkte het experiment

Met microgolven brachten de onderzoekers atomen dicht bij een atoomchip in een superpositie van twee interne toestanden en bijbehorende padgeschiedenissen. Magnetische velden hielden één tak nagenoeg op zijn plaats, terwijl de andere een ballistische beweging omhoog en daarna omlaag maakte. Bij het opnieuw samenbrengen van de twee takken werd hun relatieve fase zichtbaar als een meetbaar interferentiesignaal. 24

Het gaat dus niet alleen om de vraag of een voorwerp volgens de klassieke mechanica valt. De proef test rechtstreeks hoe een kwantumtoestand fase opbouwt wanneer de twee mogelijke paden verschillend door het zwaartekrachtsveld bewegen.

Wat de uitkomst vastlegt

Voor afzonderlijke atomen in het zwakke zwaartekrachtsveld van de aarde is de waargenomen uitkomst in overeenstemming met de gebruikelijke kwantumevolutie én met de voorspelling uit het equivalentieprincipe. 24

Dat is een belangrijke precisietoets: interferentie maakt uiterst kleine faseverschillen meetbaar. Maar de reikwijdte van die conclusie is ook helder afgebakend.

Wat hiermee nog niet is aangetoond

Deze meting:

• verenigt de kwantummechanica niet met de algemene relativiteitstheorie;
• bewijst niet dat zwaartekracht zelf gekwantiseerd is;
• detecteert geen gravitonen;
• maakt geen definitieve keuze tussen een kwantum- en een klassieke beschrijving van zwaartekracht.

Een sterkere test van het kwantumkarakter van zwaartekracht zou bijvoorbeeld moeten laten zien dat zwaartekracht verstrengeling kan opwekken tussen goed geïsoleerde massa's. Een voorgestelde route gebruikt micrometergrote kristallen, mogelijk nanodiamanten met ingebouwde stikstof-vacaturecentra, waarvan de spins als uitlezing kunnen dienen. 2

Waarom Roger Penrose en zwaardere objecten relevant zijn

Roger Penrose heeft een alternatief idee voorgesteld: een object met massa dat zich tegelijk op verschillende plaatsen bevindt, zou overeenkomen met twee verschillend gekromde ruimtetijden. Volgens dit voorstel is zo'n superpositie instabiel en verliest zij na verloop van tijd haar coherentie. De karakteristieke tijd hangt samen met het verschil in zwaartekrachtszelfenergie van de twee massaverdelingen. Dit staat vaak bekend als het Diósi-Penrose-model. 9

Een enkel rubidiumatoom is daarvoor veel te licht om een uitgesproken effect te verwachten. Grotere, zwaardere systemen die langdurig in ruimtelijk gescheiden superposities kunnen worden gebracht — zoals zwevende nanodiamanten of andere mesoscopische deeltjes — zouden deze hypothese beter kunnen onderzoeken. 19

Daarbij is de lat hoog. Onderzoekers zouden eerst alle gewone oorzaken van decoherentie moeten uitsluiten, zoals verstoringen door de omgeving. Blijft coherentie langer bestaan dan het model voorspelt, dan beperkt dat zulke instortingsmodellen. Wordt juist een reproduceerbaar extra verlies van interferentie gezien dat met massa, afstand en tijd schaalt zoals voorspeld, dan zou dat steun bieden — al moeten alternatieve ruisbronnen dan nog altijd overtuigend worden uitgesloten. 19