Forskerteam målte gravitasjonsfase i ultrakalde atomer

Et internasjonalt forskerteam ledet av Ron Folman målte direkte den kvantefaseskilnaden som gravitasjonen skaper mellom to sammenhengende baner for ultrakalde rubidiumatomer. Den ene banen ble magnetisk støttet mot tyngdekraften, mens den andre ble sendt oppover og deretter fulgte en fritt fallende, ballistisk bane. Da banene ble ført sammen igjen, viste interferenssignalet en faseforskyvning som – innenfor målingens presisjon – stemte med det Einsteins ekvivalensprinsipp forutsier. 24

Slik fungerte forsøket

Mikrobølgepulser satte atomene i en superposisjon: samme atom fikk to mulige historieforløp knyttet til ulike indre tilstander og baner nær en atombrikke. Magnetfelt holdt den ene grenen i praksis i ro mot jordens gravitasjon. Den andre ble magnetisk skutt opp og falt deretter ned igjen.

Når grenene ble kombinert, kunne forskerne lese av den relative fasen som et interferensmønster. Det er denne fasen som bærer informasjon om forskjellen i gravitasjonspåvirkning langs de to banene. 24

Hva resultatet faktisk viser

Målingen bekrefter at vanlig kvanteutvikling for disse atomene, i jordens svake gravitasjonsfelt, gir resultatet som ekvivalensprinsippet tilsier. Det er dermed en direkte test av gravitasjonsindusert fase i et kvanteinterferometer – ikke bare en måling av en klassisk fallbane. 24

Hva resultatet ikke viser

Forsøket løser ikke den store gåten om hvordan kvantemekanikk og generell relativitet skal forenes. Det beviser heller ikke at gravitasjonen er kvantisert, og det påviser ikke gravitoner.

For å teste om gravitasjonens virkning selv må være kvantemekanisk, trengs for eksempel et forsøk der gravitasjon skaper målbar sammenfiltring mellom to godt isolerte masser. Slike forslag omfatter blant annet mikrometerstore krystaller eller nanodiamanter med innebygde spinn. 23

Hvorfor Roger Penroses idé krever tyngre objekter

Roger Penrose har foreslått en gravitasjonsrelatert mekanisme for objektiv kollaps av bølgefunksjonen. I denne modellen vil et massivt objekt i en romlig superposisjon tilsvare to ulike krumninger av romtiden. Tilstanden kan da bli ustabil, slik at koherensen forsvinner på en tidsskala knyttet til forskjellen i gravitasjonell selvenergi mellom de to massefordelingene. 9

Ett rubidiumatom er altfor lett til å gi en sterk test av en slik masseavhengig kollaps. For det ville forskere måtte lage store og langvarige romlige superposisjoner av langt tyngre systemer, som leviterte nanodiamanter eller andre mesoskale partikler.

Dersom koherensen holder seg lenger enn Penrose-lignende modeller forutsier, vil det legge begrensninger på modellene. Dersom den derimot forsvinner raskere på en reproduserbar måte med riktig avhengighet av masse, avstand og tid, kan det støtte ideen. Da må forskerne likevel først utelukke vanlige forklaringer, som støy og dekohorens fra omgivelsene. 19