Spadające atomy ujawniły kwantowy ślad ziemskiej grawitacji

Zespół kierowany przez Rona Folmana bezpośrednio zmierzył kwantowe przesunięcie fazowe wywołane ziemską grawitacją w ultrazimnych atomach rubidu. W interferometrze Quantum Galileo porównano dwie spójne drogi fali atomowej: jedna była niemal nieruchoma dzięki polu magnetycznemu, druga zaś została wystrzelona ku górze, a potem swobodnie spadała. Po ponownym połączeniu obu dróg sygnał interferencyjny zgadzał się — w granicach dokładności pomiaru — z fazą przewidywaną przez einsteinowską zasadę równoważności w badanych warunkach. 24

Co właściwie zmierzono?

Cząstki kwantowe można opisywać jako fale. W trakcie ewolucji taka fala gromadzi fazę — wielkość, której zwykle nie obserwuje się bezpośrednio. Staje się ona mierzalna, gdy dwie spójne części fali zostaną połączone: ich względna faza zmienia wówczas obraz interferencyjny.

W tym doświadczeniu impulsy mikrofalowe wytworzyły superpozycję dwóch historii ruchu atomu w pobliżu chipa atomowego. Pole magnetyczne równoważyło grawitację dla jednej gałęzi, natomiast druga wykonywała balistyczny ruch: wznosiła się, a następnie opadała swobodnie. Ponowne połączenie gałęzi przekształciło ich względną fazę grawitacyjną w mierzalny sygnał interferencyjny. 24

Kluczowy rezultat brzmi więc precyzyjnie: zaobserwowane przesunięcie fazowe było zgodne, w granicach precyzji eksperymentu, z przewidywaniem opartym na zasadzie równoważności. Jest to zasada, która w teorii Einsteina lokalnie wiąże swobodny spadek z oddziaływaniem grawitacyjnym. 24

Dlaczego ten test ma znaczenie?

Nie chodzi wyłącznie o rejestrację klasycznej trajektorii spadającego atomu. Badanie testuje grawitację w interferometrze, w którym badanym obiektem jest spójna kwantowa fala materii podążająca jednocześnie dwiema alternatywnymi drogami. Dla ultrazimnych atomów rubidu w słabym polu grawitacyjnym Ziemi zmierzona ewolucja kwantowa jest zatem zgodna z przewidywaniem zasady równoważności. 24

To ważny empiryczny punkt styku dwóch opisów fizyki, często przedstawianych jako trudne do pogodzenia: mechanika kwantowa opisuje superpozycję i interferencję atomu, a grawitacja dostarcza różnicy faz związanej z przebytymi drogami.

Czego doświadczenie nie dowodzi?

Wyniku nie należy interpretować jako unifikacji mechaniki kwantowej z ogólną teorią względności. Badanie nie pokazuje, że grawitacja jest skwantowana, nie wykrywa grawitonów ani nie rozstrzyga między fundamentalnie kwantowym a fundamentalnie klasycznym opisem grawitacji. 23

Bardziej bezpośrednim sprawdzianem kwantowego charakteru grawitacji byłoby wykazanie, że potrafi ona wytworzyć splątanie między odpowiednio dobrze odizolowanymi masywnymi obiektami. Proponowane eksperymenty zakładają przestrzenne superpozycje kryształów o rozmiarach mikrometrowych — potencjalnie nanodiamentów z osadzonymi układami spinowymi — a następnie test, czy ich wzajemne oddziaływanie grawitacyjne generuje splątanie. 34

Gdzie w tej historii jest hipoteza Rogera Penrose’a?

Roger Penrose zaproponował inną możliwość: dostatecznie masywny obiekt znajdujący się w superpozycji przestrzennej odpowiadałby alternatywnym geometriom czasoprzestrzeni, które nie mogą zachowywać spójności bez końca. W powiązanych modelach Diósiego–Penrose’a przewidywany czas zaniku spójności wiąże się z różnicą grawitacyjnej energii własnej między superponowanymi rozkładami masy. 36

To hipoteza o możliwej granicy standardowej mechaniki kwantowej, a nie wniosek z eksperymentu z rubidem. Pojedynczy atom nie jest obiektem o dużej masie i znacznym przestrzennym rozdzieleniu, w którym takie modele powinny być najłatwiejsze do sprawdzenia.

Dlaczego kolejnym krokiem są cięższe obiekty?

Testy modeli kolapsu mają tworzyć przestrzenne superpozycje obiektów znacznie cięższych niż pojedyncze atomy, a następnie szukać utraty spójności, której nie da się wyjaśnić zwykłym wpływem otoczenia. Przeglądy badań nad modelami kolapsu wskazują, że superpozycje masywnych obiektów są najbardziej bezpośrednią strategią: modele te mogą zakazywać stanów, na które zwykła mechanika kwantowa pozwala. 33

Przyszłe interferometry z cząstkami mezoskopowymi — na przykład lewitującymi nanodiamentami lub innymi niewielkimi kryształami — musiałyby utrzymywać spójność, jednocześnie bardzo dokładnie ograniczając zwykłą dekoherencję środowiskową. Jeśli układy zachowałyby interferencję dłużej, niż dopuszcza konkretny model zaniku, ograniczyłoby to taki model. Jeśli natomiast pojawiłaby się powtarzalna, nadmierna utrata spójności o przewidywanej zależności od masy, odległości rozdzielenia i czasu, byłby to sygnał wart zbadania — przy czym nadal należałoby wykluczyć szum eksperymentalny i inne, niegrawitacyjne wyjaśnienia. 333436

Na razie wynik z interferometru Quantum Galileo najlepiej ujmować ostrożnie: w zbadanym zakresie kwantowa fala materii podczas swobodnego spadku zgromadziła fazę grawitacyjną przewidywaną przez zasadę równoważności Einsteina. 24