To kvanteeksperimenter tester Einsteins ekvivalensprinsipp

Einsteins ekvivalensprinsipp sier, forenklet, at tyngdekraft og akselerasjon lokalt ikke kan skilles fra hverandre, og at legemer i fritt fall reagerer likt på tyngdekraften. To nyere eksperimenter med atominterferometri har undersøkt prinsippet i tydelig kvantemekaniske situasjoner. Den forsiktige, men viktige konklusjonen er at kvantematerie oppførte seg i samsvar med ekvivalensprinsippet innenfor eksperimentenes rekkevidde. 231

To komplementære tester

Eksperimentene undersøkte ikke nøyaktig det samme:

• Quantum Galileo Interferometer på jorden målte fasen til en sammenhengende materiebølge i fritt fall.
• Eksperimentet på Kinas romstasjon målte forskjellen i akselerasjon mellom to rubidiumisotoper i orbitalt fritt fall.

Begge utnytter atomers bølgeegenskaper. Interferens gjør tyngdekraftens påvirkning målbar som en faseforskjell. Det første forsøket tester i hovedsak kvantebeskrivelsen av overgangen mellom laboratoriets referanseramme og en fritt fallende ramme. Det andre tester det svake ekvivalensprinsippet – universialiteten til fritt fall. 231

En fallende materiebølges kvantefase

I det jordbaserte eksperimentet brukte forskerne et interferometer med kalde atomer. Én bølgepakke ble holdt i ro i laboratoriets referanseramme, mens en annen gikk inn i fritt fall. Da pakkene ble sammenlignet, stemte den målte relative fasen med den forutsagte gaugefasen for et kvanteobjekt i fritt fall. Forskerne omtaler dette som en direkte observasjon av kvantefasen til et fritt fallende objekt i deres lavenergi-regime. 12

Det er et vesentlig skille: Et klassisk objekt kan avsløre tyngdekraften gjennom banen sin. Her var den sentrale størrelsen fasen til en koherent kvantebølge. Interferometri gjør fasen målbar ved å sammenligne to utviklingsbaner og lese av interferensmønsteret.

To atomtyper sammenlignet i bane

En annen forskergruppe opererte et atominterferometer med to atomslag om bord på Kinas romstasjon. De sammenlignet ultrakalde skyer av rubidium-85 og rubidium-87 – isotoper med ulik masse – mens både romstasjonen og atomene befant seg i kontinuerlig orbitalt fritt fall. 1931

Instrumentet benyttet blant annet demping av plattformbevegelser, vekslende fluorescensdeteksjon og vekslende to-foton-detuning for å redusere fasestøy og forbedre målenøyaktigheten. Etter 280 dager med data fra testen av det svake ekvivalensprinsippet oppga laget en måleusikkerhet på (2,8 \times 10^{-8}). Det rapporterte resultatet, ((-3,1 \pm 4,6) \times 10^{-7}), var etter den oppgitte feilvurderingen forenlig med ingen påvist differensiell akselerasjon. 2231

I klartekst: Ved denne presisjonen så forskerne ingen tegn til at de to rubidiumisotopene falt ulikt.

Hvorfor gjøre dette i rommet?

Mikrogravitasjon kan gi langt lengre måletid enn et fallforsøk på bakken. Lengre fri utvikling kan gjøre atominterferometre mer følsomme for akselerasjon, så lenge forskerne behersker koherens, utvidelsen av atomskyen, gravitasjonsgradienter og instrumentstøy. 432

En romstasjon er likevel ikke automatisk et stille laboratorium. Bevegelser og vibrasjoner fra en bemannet romstasjon kan sette uønskede faseforskyvninger i målingene. Derfor var demping av plattformbevegelser en sentral del av forsøket på Kinas romstasjon. 1931

Hva resultatene viser – og ikke viser

Dette er meningsfulle kompatibilitetstester av generelle relativistiske prinsipper med kvantematerie. De beviser ikke at selve tyngdekraften er kvantemekanisk.

Ingen av forsøkene demonstrerer at:

• gravitasjonsfeltet kan være i en kvantesuperposisjon;
• gravitoner finnes;
• tyngdekraft kan skape sammenfiltring mellom to masser; eller
• generell relativitet og kvantemekanikk er forent i én teori.

Begge eksperimentene kan forstås som kvantesystemer som utvikler seg i et effektivt klassisk gravitasjonsmiljø, og deretter testes mot forutsigelser fra ekvivalensprinsippet. De utelukker heller ikke alle former for ny fysikk: De begrenser bare mulige avvik for atomsystemene, betingelsene og presisjonen som faktisk ble målt.

Veien videre: tyngre objekter og roligere plattformer

Nanodiamanter og større superposisjoner

En mulig vei er å lage kvantesuperposisjoner med objekter som er langt mer massive enn atomer. Et foreslått bordbasert nanodiamantinterferometer beskriver for eksempel hvordan romlige superposisjoner knyttet til spinn i nanodiamanter kan forberedes, slik at gravitasjonsinteraksjon mellom superposisjonene kan gi en sammenfiltrende effekt. Dette er en gjennomførbarhetsstudie, ikke et resultat fra rubidiumeksperimentene. 20

Slike oppsett kan også brukes til å undersøke foreslåtte modeller der tyngdekraften bidrar til kollaps av bølgefunksjonen. Den store utfordringen er å skille et mulig avvikende tap av interferenssynlighet fra vanlig miljøbetinget dekohorens.

Lengre fritt fall og bedre støykontroll

Fremtidige rombaserte konsepter tar sikte på å presse tester med de to rubidiumisotopene mye lenger. Et foreslått atominterferometer for en romstasjon har som mål å teste universialiteten til fritt fall med en presisjon bedre enn (10^{-15}). Konseptet peker også på mulige tester av spinn–tyngdekraft-koblinger og koherente bølgepakker med stor romlig separasjon. 17

For å komme dit holder det ikke med lang tid i mikrogravitasjon. Det kreves svært god vibrasjonsisolasjon, stabile lasere, kontroll over atomkilder og systematisk håndtering av feilkilder. En dedikert romplattform med lavere støy kan derfor være like viktig som lengre fritt fall.

Kort oppsummert

Fremskrittet er ikke at kvantetyngdekraft er oppdaget. Det er at to svært ulike kvanteeksperimenter – ett som målte frifallsfasen til en materiebølge på jorden, og ett som sammenlignet isotoper i bane – ga resultater i samsvar med Einsteins ekvivalensprinsipp. Neste steg er mer følsomme, mer massive og bedre isolerte tester, som kan nå effekter en rent klassisk beskrivelse av tyngdekraften kanskje ikke kan forklare. 21731