Fallende atomer måler tyngdekraftens kvantefase

Et internasjonalt forskerlag ledet av Ron Folman har målt en kvantefaseforskyvning som skyldes jordens tyngdekraft, i ultrakalde rubidiumatomer. Med Quantum Galileo Interferometer sammenlignet de to sammenhengende atom-bølgebaner: Én ble holdt nesten stille av et magnetfelt, mens den andre ble skutt oppover og deretter falt fritt. Da banene ble slått sammen igjen, stemte interferenssignalet med fasen som ekvivalensprinsippet forutsier under de undersøkte forholdene. 24

Hva ble faktisk målt?

Kvantestørrelser som atomer beskrives av bølger. En slik bølge kan samle opp en fase mens den utvikler seg. Fasen kan vanligvis ikke observeres direkte, men når to sammenhengende bølger møtes igjen, påvirker faseforskjellen interferensmønsteret.

I forsøket skapte mikrobølgepulser en superposisjon av to mulige atomforløp nær en atombrikke. Magnetfelt motvirket tyngdekraften for den ene grenen, mens den andre fulgte en ballistisk bane oppover og ned igjen i fritt fall. Da grenene ble kombinert, ble den relative gravitasjonsfasen omgjort til et målbart interferenssignal. 24

Hovedfunnet er at den målte faseforskyvningen, innenfor eksperimentets presisjon, er forenlig med prediksjonen fra ekvivalensprinsippet. Dette er prinsippet i Einsteins gravitasjonsteori som lokalt knytter fritt fall og tyngdekraft sammen. 24

Hvorfor er dette en viktig test?

Dette er mer enn en måling av en klassisk fallbane. Det er en test av gravitasjon i et interferometer, der det relevante objektet er en sammenhengende kvantemekanisk materiebølge som følger to alternative baner.

Forsøket viser derfor at den målte kvanteutviklingen for ultrakalde rubidiumatomer i jordens svake gravitasjonsfelt er i samsvar med ekvivalensprinsippets prediksjon. 24 Det gir et empirisk bindeledd mellom to rammeverk som ofte beskrives som vanskelige å forene: Kvantemekanikken styrer atomets superposisjon og interferens, mens tyngdekraften bidrar med faseforskjellen mellom banene.

Hva resultatet ikke viser

Funnet må ikke tolkes som en samling av kvantemekanikk og generell relativitetsteori. Det demonstrerer ikke at tyngdekraften er kvantisert, påviser ikke gravitoner og avgjør heller ikke om tyngdekraften grunnleggende sett er kvantemekanisk eller klassisk. 23

En mer direkte test av tyngdekraftens kvantenatur ville være å vise at gravitasjon kan skape sammenfiltring mellom tilstrekkelig isolerte, massive objekter. Foreslåtte forsøk går ut på å lage romlige superposisjoner av krystaller i mikrometerstørrelse, blant annet nanodiamanter med innebygde spinnsystemer, og så undersøke om den gjensidige gravitasjonen skaper sammenfiltring. 34

Hvor passer Roger Penroses hypotese inn?

Roger Penrose har foreslått en annen mulighet: at et tilstrekkelig massivt objekt i en romlig superposisjon tilsvarer alternative romtidsgeometrier som ikke kan beholde kvantekoherensen ubegrenset lenge. I beslektede Diósi–Penrose-modeller knyttes den forventede henfallstiden til forskjellen i gravitasjonell selvenergi mellom massefordelingene i superposisjonen. 36

Dette er en hypotese om en mulig grense for standard kvantemekanikk, ikke en konklusjon fra rubidiumforsøket. Ett enkelt atom er heller ikke den typen tungt og romlig adskilt system der slike modeller ventes å være enklest å teste.

Hvorfor tyngre kvanteobjekter er neste steg

Tester av kollapsmodeller forsøker å skape romlige superposisjoner av objekter som er langt tyngre enn enkeltatomer, og deretter lete etter et tap av koherens som ikke kan forklares av vanlig støy fra omgivelsene. Oversikter over forsøk med kollapsmodeller peker på massive romlige superposisjoner som den mest direkte strategien, fordi modellene kan forby superposisjoner som standard kvanteteori tillater. 33

Framtidige interferometre med mesoskopiske partikler – for eksempel svevende nanodiamanter eller andre små krystaller – må bevare koherensen samtidig som de kontrollerer vanlig dekoherens fra omgivelsene svært nøye. Dersom slike systemer beholder interferensen lenger enn en modells forutsagte henfallstid, vil det begrense modellen. Dersom de viser et reproduserbart, ekstra tap av koherens med forventet avhengighet av masse, avstand og tid, vil det være et funn som må undersøkes nærmere. Da må likevel eksperimentell støy og andre, ikke-gravitasjonelle forklaringer utelukkes. 333436

Foreløpig er den mest presise oppsummeringen av Quantum Galileo Interferometer-resultatet denne: I regimet som ble testet, samlet en kvantemekanisk materiebølge i fritt fall opp gravitasjonsfasen som Einsteins ekvivalensprinsipp forutsier. 24