Учёные измерили гравитационную фазу в интерференции ультрахолодных атомов

Международная группа под руководством Рона Фольмана напрямую измерила квантовую разность фаз, вызванную гравитацией, для двух когерентных траекторий ультрахолодных атомов рубидия. Одну из них магнитное поле практически удерживало на месте, компенсируя земное притяжение; вторая сначала запускалась вверх, а затем двигалась по баллистической траектории свободного падения.

При сведении этих двух ветвей вновь возникала интерференция. Её сдвиг оказался — в пределах экспериментальной точности — таким, какого следует ожидать из принципа эквивалентности Эйнштейна для выбранных траекторий. 24

Как был устроен опыт

Микроволновые импульсы переводили атомы у атомного чипа в суперпозицию двух вариантов внутреннего состояния и движения. Магнитные поля удерживали одну ветвь, тогда как другая проходила путь «вверх — вниз» в свободном падении. После объединения ветвей их относительная фаза превращалась в измеримый интерференционный сигнал. 24

Это важно потому, что проверяется не просто классическое падение тел, а фаза квантовой волновой функции, накопленная вдоль двух разных историй движения в гравитационном поле.

Что результат подтверждает — и чего не подтверждает

Эксперимент показывает, что в режиме одиночных атомов и слабой гравитации Земли обычная квантовая эволюция согласуется с предсказанием принципа эквивалентности. 24

Однако это не объединение квантовой механики и общей теории относительности. Работа также не доказывает, что сама гравитация квантована, не обнаруживает гравитоны и не позволяет выбрать между квантовым и классическим описанием гравитации.

Проверка квантовой природы гравитации потребовала бы, например, показать, что гравитационное взаимодействие способно создавать запутанность между достаточно хорошо изолированными массивными объектами. Один из предлагаемых подходов — использовать микронные кристаллы, в том числе наноалмазы с азотно-вакансионными центрами, и искать запутанность, возникающую именно за счёт их взаимного притяжения. 2

При чём здесь идея Роджера Пенроуза

Роджер Пенроуз предлагал иную, гравитационно связанную гипотезу: пространственная суперпозиция массивного тела соответствует двум разным геометриям искривлённого пространства-времени. По этой версии, такое состояние нестабильно и должно самопроизвольно терять когерентность; характерное время распада связывается с разностью гравитационной собственной энергии двух распределений массы. 9

Одиночный атом рубидия для строгой проверки такого эффекта слишком лёгок. Нужны интерферометры, способные создавать большие и долгоживущие пространственные суперпозиции более массивных систем — например, левитирующих наночастиц или наноалмазов.

Если когерентность сохранялась бы дольше, чем допускают модели типа Диоши—Пенроуза, это ограничило бы такие модели. Если же наблюдалась бы воспроизводимая дополнительная потеря интерференции с ожидаемой зависимостью от массы, расстояния между ветвями и времени, это стало бы аргументом в их пользу. Но прежде пришлось бы исключить обычную декогеренцию: влияние среды, вибраций, теплового шума и другие неэкзотические причины. 19