Vallende atomen meten Einsteins voorspelde kwantumfase

Onderzoekers onder leiding van Ron Folman hebben rechtstreeks een kwantumfaseverschuiving gemeten die ontstaat door de zwaartekracht van de aarde. In de zogeheten Quantum Galileo Interferometer vergeleken zij twee coherente paden van ultrakoude rubidiumatomen: één pad werd met een magnetisch veld vrijwel op zijn plaats gehouden, het andere werd omhoog gelanceerd en maakte vervolgens een vrije val. Toen de twee paden weer werden samengebracht, stemde het interferentiesignaal binnen de nauwkeurigheid van het experiment overeen met de fase die volgt uit Einsteins equivalentieprincipe. 24

Wat is er precies gemeten?

Een kwantumdeeltje, zoals een atoom, wordt beschreven door een golf. Tijdens zijn ontwikkeling kan die golf een fase opbouwen: een soort verschuiving in zijn cyclische patroon. Die fase is niet afzonderlijk rechtstreeks zichtbaar. Maar als twee coherente golven weer samenkomen, bepaalt hun relatieve fase het interferentiepatroon — en wordt het verschil dus meetbaar.

In dit experiment creëerden microgolvenpulsen nabij een atoomchip een superpositie van twee mogelijke geschiedenissen van hetzelfde atoom. Magnetische velden compenseerden in één tak de zwaartekracht, terwijl de andere tak een ballistisch traject volgde: omhoog en daarna terug omlaag in vrije val. Door beide takken te recombineren, zetten de onderzoekers het relatieve zwaartekrachtseffect om in een meetbaar interferentiesignaal. 24

De hoofdconclusie is nauw afgebakend: de gemeten faseverschuiving is, in de onderzochte omstandigheden, consistent met de voorspelling van het equivalentieprincipe. Dat principe uit Einsteins zwaartekrachttheorie legt lokaal het verband tussen vrije val en zwaartekracht. 24

Waarom dit meer is dan een vallend atoom volgen

Het team mat niet simpelweg het klassieke traject van een vallend atoom. Het relevante object was een coherente kwantummateriegolf die twee alternatieve paden tegelijk volgde en vervolgens met zichzelf interfereerde.

De proef vormt daarmee een experimentele verbinding tussen twee kaders die vaak als moeilijk te verenigen worden voorgesteld: de kwantummechanica beschrijft de superpositie en interferentie van het atoom, terwijl de zwaartekracht het faseverschil tussen de paden levert. Voor ultrakoude rubidiumatomen in het zwakke zwaartekrachtsveld van de aarde blijken die beschrijvingen in deze meting met elkaar in overeenstemming. 24

Wat de proef nadrukkelijk niet bewijst

Dit resultaat is geen verenigde theorie van kwantummechanica en algemene relativiteit. Het toont niet aan dat zwaartekracht gekwantiseerd is, het detecteert geen gravitonen en het maakt geen definitieve keuze tussen een fundamenteel kwantummechanische en een fundamenteel klassieke zwaartekrachttheorie. 23

Een directere test van het kwantumkarakter van zwaartekracht zou bijvoorbeeld aantonen dat zwaartekracht verstrengeling kan opwekken tussen voldoende goed geïsoleerde massieve objecten. Voorgestelde experimenten richten zich op ruimtelijke superposities van kristallen op micrometerschaal, mogelijk nanodiamanten met ingebedde spins, om vervolgens te onderzoeken of hun onderlinge zwaartekracht verstrengeling veroorzaakt. 34

Waar Penroses instortingshypothese in beeld komt

Roger Penrose heeft een andere mogelijkheid geopperd: een voldoende massief object dat zich op twee plaatsen tegelijk bevindt, zou corresponderen met alternatieve ruimtetijdgeometrieën die niet onbeperkt coherent kunnen blijven. In verwante Diósi-Penrose-modellen hangt de verwachte vervaltijd samen met het verschil in zwaartekrachtzelfenergie van de gesuperponeerde massaverdelingen. 36

Dat is een hypothese over een mogelijke grens aan de standaardkwantummechanica, geen uitkomst van het rubidiumexperiment. Eén atoom is niet het soort zwaar, ruimtelijk gescheiden systeem waarin zulke modellen het gemakkelijkst te toetsen zouden zijn.

Waarom zwaardere kwantumobjecten de volgende stap zijn

Proeven met instortingsmodellen proberen ruimtelijke superposities te maken van objecten die veel zwaarder zijn dan losse atomen. Vervolgens zoeken onderzoekers naar verlies van coherentie dat niet door gewone omgevingsruis verklaard kan worden. Overzichten van dit onderzoeksveld noemen superposities van massieve objecten de meest directe aanpak, omdat zulke modellen superposities kunnen uitsluiten die de reguliere kwantumtheorie juist toestaat. 33

Toekomstige interferometers met mesoscopische deeltjes — bijvoorbeeld zwevende nanodiamanten of andere kleine kristallen — moeten langdurige coherentie behouden en tegelijkertijd gewone decoherentie door de omgeving zeer streng onderdrukken. Blijft de interferentie langer bestaan dan een model voorspelt, dan beperkt dat model. Verschijnt er reproduceerbaar extra coherentieverlies met de voorspelde afhankelijkheid van massa, afstand en tijd, dan is dat een aanwijzing die nader onderzoek verdient. Andere, niet-zwaartekrachtgerelateerde ruisbronnen moeten dan wel eerst worden uitgesloten. 333436

Vooralsnog is de kern van het resultaat helder en bescheiden: in het geteste regime bouwde een kwantummateriegolf in vrije val precies de zwaartekrachtfase op die Einsteins equivalentieprincipe voorspelt. 24