Atomy w interferometrze sprawdziły grawitacyjną fazę kwantową. Czego ten wynik nie dowodzi

Co właściwie zmierzono

Międzynarodowy zespół kierowany przez Rona Folmana, z udziałem współpracowników z Uniwersytetu Ben-Guriona, Oksfordu i Ulm oraz Rogera Penrose’a, bezpośrednio zmierzył kwantową różnicę faz wywołaną grawitacją między dwiema spójnymi drogami ultrazimnych atomów rubidu.

Jedna gałąź superpozycji była utrzymywana niemal nieruchomo względem Ziemi przez pole magnetyczne. Drugą wystrzeliwano ku górze, po czym podlegała swobodnemu spadkowi. Gdy obie gałęzie połączono ponownie, ich względna faza ujawniła się jako mierzalne przesunięcie sygnału interferencyjnego. Wynik był zgodny — w granicach precyzji pomiaru — z fazą przewidywaną dla tych dróg przez einsteinowską zasadę równoważności. 24

Jak działał interferometr Quantum Galileo

Mikrofalowe impulsy przygotowywały atomy w superpozycji dwóch historii związanych jednocześnie ze stanem wewnętrznym i drogą ruchu, w pobliżu tzw. chipu atomowego. Pole magnetyczne podtrzymywało jedną z gałęzi wbrew grawitacji, natomiast druga odbywała balistyczny ruch: najpierw w górę, później w dół. Po ich rekombinacji różnica faz była odczytywana z interferencji. 24

To istotne rozróżnienie: nie chodzi jedynie o sprawdzenie, czy atom spada zgodnie z klasyczną fizyką. Badacze obserwowali efekt grawitacji w ewolucji fazy stanu kwantowego, czyli w interferencji dwóch możliwych dróg tego samego atomu. W słabym ziemskim polu grawitacyjnym rezultat odpowiada przewidywaniom standardowej mechaniki kwantowej i zasady równoważności. 24

Czego wynik nie oznacza

Badanie nie stanowi zjednoczenia mechaniki kwantowej z ogólną teorią względności. Nie dowodzi też, że grawitacja jest skwantowana, nie wykrywa grawitonów ani nie rozstrzyga sporu między opisem kwantowym a klasycznym grawitacji.

Aby testować kwantową naturę grawitacji w bardziej bezpośredni sposób, należałoby na przykład wykazać, że grawitacja potrafi wytworzyć splątanie między odpowiednio odizolowanymi masami. Jednym z rozważanych podejść są mikrokryształy, potencjalnie nanodiamenty z centrami azotowo-wakansowymi, których stany spinowe mogłyby posłużyć do wykrycia takiego splątania. 23

Dlaczego w tej historii pojawia się Roger Penrose

Penrose zaproponował model obiektywnego kolapsu związanego z grawitacją. W tej koncepcji masywny obiekt znajdujący się w przestrzennej superpozycji odpowiadałby dwóm odmiennie zakrzywionym geometriom czasoprzestrzeni. Taki stan miałby być niestabilny, a jego spójność zanikałaby w czasie powiązanym z różnicą energii własnej grawitacji dla obu rozkładów masy. 9

Pojedynczy atom rubidu jest jednak zdecydowanie zbyt lekki, by mocno sprawdzać przewidywane przez ten model, zależne od masy załamanie superpozycji. Potrzebne byłyby interferometry tworzące duże i długo żyjące superpozycje przestrzenne cięższych układów — na przykład lewitowanych nanodiamentów lub innych cząstek mezoskopowych. 19

Taki eksperyment mógłby szukać niewyjaśnionej utraty interferencji w tempie przewidywanym przez modele typu Diósi–Penrose. Najpierw trzeba byłoby jednak rygorystycznie wykluczyć zwykłą dekoherencję środowiskową: zakłócenia cieplne, zderzenia z resztkowym gazem, drgania i inne źródła szumu. Utrzymanie spójności dłużej, niż model przewiduje, ograniczałoby jego wiarygodność. Powtarzalny nadmiar zaniku o właściwej zależności od masy, odległości rozdzielenia i czasu byłby argumentem na jego rzecz — choć również wtedy należałoby wykluczyć alternatywne wyjaśnienia związane z szumem. 19