Падающие атомы показали предсказанный Эйнштейном квантовый сдвиг фазы

Исследовательская группа под руководством Рона Фольмана напрямую измерила квантовый фазовый сдвиг, вызванный земным притяжением, у ультрахолодных атомов рубидия. В установке Quantum Galileo Interferometer учёные сравнили две когерентные траектории атомной волны: одна почти оставалась на месте благодаря магнитному полю, другая сначала направлялась вверх, а затем свободно падала. При повторном соединении путей интерференционный сигнал совпал — в пределах точности эксперимента — с фазой, ожидаемой из принципа эквивалентности Эйнштейна. 24

Что именно удалось измерить

В квантовой механике частица описывается волной. По мере эволюции волна накапливает фазу — величину, которую нельзя наблюдать отдельно. Однако если две когерентные части одной волны вновь соединить, разность их фаз меняет интерференционную картину.

В этом опыте микроволновые импульсы создали суперпозицию двух вариантов истории атома рядом с атомным чипом — микроструктурой, позволяющей точно управлять магнитными полями. Для одной ветви магнитное поле компенсировало силу тяжести. Другая ветвь двигалась по баллистической траектории: её запускали вверх, после чего она свободно падала. Соединение ветвей превратило накопившуюся из-за гравитации относительную фазу в измеримый интерференционный сигнал. 24

Главный итог таков: наблюдаемый фазовый сдвиг согласуется с предсказанием, основанным на принципе эквивалентности. Этот принцип лежит в основе общей теории относительности и, в частности, локально связывает свободное падение с действием гравитации. 24

Почему это важная проверка

Речь идёт не просто о регистрации классической траектории падающего тела. В интерферометре проверяли объект, находящийся в квантовой суперпозиции: когерентную волну материи, которая проходит по двум альтернативным путям. Эксперимент показывает, что для ультрахолодных атомов рубидия в слабом гравитационном поле Земли измеренная квантовая эволюция согласуется с предсказанием принципа эквивалентности. 24

Тем самым работа даёт экспериментальную точку соприкосновения между двумя теориями, которые часто противопоставляют друг другу: квантовая механика описывает суперпозицию и интерференцию атома, а гравитация создаёт разность фаз между его путями.

Чего результат не доказывает

Эксперимент не означает, что квантовая механика и общая теория относительности уже объединены в единую теорию. Он также не доказывает квантовую природу гравитации, не обнаруживает гравитоны и не позволяет окончательно выбрать между фундаментально квантовым и классическим описанием гравитации. 23

Более прямой способ проверить квантовый характер гравитации — показать, что она способна создавать запутанность между достаточно изолированными массивными объектами. В предложенных экспериментах предполагается поместить в пространственную суперпозицию микронные кристаллы, в том числе потенциально наноалмазы со встроенными спиновыми системами, а затем проверить, возникает ли между ними запутанность из-за их взаимного гравитационного взаимодействия. 34

Где здесь гипотеза Роджера Пенроуза

Роджер Пенроуз выдвинул иную гипотезу: достаточно массивный объект в пространственной суперпозиции соответствует альтернативным геометриям пространства-времени, которые не могут сохранять когерентность неограниченно долго. В родственных моделях Диоши—Пенроуза время распада суперпозиции связывают с разностью гравитационной собственной энергии распределений массы в её ветвях. 36

Это гипотеза о возможном пределе применимости стандартной квантовой механики, а не вывод из опыта с рубидием. Одиночный атом — не тот тяжёлый и пространственно разделённый объект, на котором подобные модели легче всего проверять.

Почему следующий шаг — более тяжёлые квантовые объекты

Проверки моделей коллапса требуют создать пространственную суперпозицию объектов, значительно более массивных, чем отдельный атом, и искать потерю когерентности, которую нельзя объяснить обычным воздействием среды. Обзоры экспериментов по моделям коллапса называют суперпозиции массивных объектов наиболее прямой стратегией: такие модели могут запрещать состояния, которые стандартная квантовая теория допускает. 33

Будущим интерферометрам с мезоскопическими частицами — например, левитирующими наноалмазами или другими малыми кристаллами — придётся одновременно долго поддерживать когерентность и жёстко контролировать обычную декогеренцию, вызванную окружающей средой. Если интерференция сохранится дольше, чем предсказывает конкретная модель распада, это ограничит такую модель. Если же появится воспроизводимая дополнительная потеря когерентности с ожидаемой зависимостью от массы, расстояния между ветвями и времени, это станет серьёзным поводом для дальнейшей проверки. Но сначала необходимо будет исключить экспериментальные шумы и другие, негравитационные объяснения. 333436

Пока результат Quantum Galileo Interferometer следует понимать точно: в исследованном режиме квантовая волна материи при свободном падении накопила гравитационную фазу, предсказанную принципом эквивалентности Эйнштейна. 24