Två kvantexperiment sätter Einsteins ekvivalensprincip på prov

Einsteins ekvivalensprincip säger i korthet att gravitation och acceleration lokalt inte går att skilja åt, och att kroppar i fritt fall reagerar på gravitation på samma sätt. Två nya atominterferometriexperiment har prövat principen i tydligt kvantmekaniska situationer. Slutsatsen är försiktig men viktig: inom experimentens räckvidd betedde sig kvantmateria i enlighet med ekvivalensprincipen. 231

Två tester av olika delar av principen

Experimenten kompletterar varandra snarare än upprepar samma sak.

• Quantum Galileo Interferometer på jorden undersökte fasen hos en koherent materievåg i fritt fall.
• Experimentet på Kinas rymdstation undersökte skillnaden i acceleration mellan två rubidiumisotoper i fritt fall i omloppsbana.

Båda använder atomernas vågegenskaper och interferens för att omvandla gravitationens påverkan till en mätbar fasförskjutning. Det första testet handlar främst om kvantbeskrivningen av bytet mellan laboratoriets referensram och en fritt fallande referensram. Det andra testar den svaga ekvivalensprincipen, även kallad universaliteten hos fritt fall. 231

En fritt fallande kvantvågs fas

I det markbaserade experimentet använde forskarna en kallatominterferometer. Ett materievågspaket hölls stilla i laboratoriets referensram, medan ett annat fick falla fritt. När vågpaketen jämfördes stämde deras relativa fas med den så kallade gaugefas som förutsägs för ett kvantobjekt i fritt fall. Forskarna beskriver resultatet som en direkt observation av kvantfasen för fritt fall i ett lågenergiregim. 12

Skillnaden är betydelsefull. Ett klassiskt objekt kan avslöja gravitation genom sin bana. Här var den centrala mätstorheten i stället fasen hos en koherent kvantvåg. Interferometri gör denna annars svåråtkomliga fas mätbar: två vägar jämförs och skillnaden läses av i interferensmönstret.

Två atomslag jämfördes i omloppsbana

I ett separat experiment drev en forskargrupp en atominterferometer med två atomslag ombord på Kinas rymdstation. Där jämfördes ultrakalla moln av rubidium-85 och rubidium-87, två isotoper med olika massa, medan både rymdstationen och atomerna befann sig i kontinuerligt fritt fall runt jorden. 1931

För att minska fasbrus och förbättra noggrannheten användes bland annat dämpning av plattformens rörelser, växling av fluorescensdetektering och växling av tvåfotonavstämning. Efter 280 dagars data för testet av den svaga ekvivalensprincipen rapporterade gruppen en testosäkerhet på (2,8 \times 10^{-8}). Resultatet, ((-3,1 \pm 4,6) \times 10^{-7}), var efter den angivna felanalysen förenligt med att ingen skillnad i acceleration hade upptäckts. 2231

Enkelt uttryckt: vid denna precision såg forskarna inga tecken på att de två rubidiumisotoperna föll olika.

Varför genomföra atominterferometri i rymden?

Mikrogravitation kan ge betydligt längre mättider än ett fallförsök på marken. Längre fri utveckling kan göra en atominterferometer känsligare för acceleration, förutsatt att koherens, atommolnens utvidgning, gravitationsgradienter och instrumentbrus hålls under kontroll. 432

En omloppsbana är dock inte automatiskt störningsfri. Rörelser och vibrationer från en bemannad rymdstation kan ge oönskade fasförskjutningar. Därför var dämpning av plattformens rörelser en central del av experimentet på Kinas rymdstation. 1931

Vad resultaten visar – och inte visar

Detta är betydelsefulla förenlighetstester mellan allmänrelativistiska principer och kvantmateria. De visar inte att gravitationen i sig är kvantmekanisk.

I synnerhet visar inget av resultaten:

• att gravitationsfältet befinner sig i en kvantsuperposition;
• att gravitoner finns;
• att gravitation kan skapa sammanflätning mellan två massor; eller
• en enhetlig teori för allmän relativitet och kvantmekanik.

Experimenten kan förstås som kvantsystem som utvecklas i en i praktiken klassisk gravitationsmiljö och sedan jämförs med ekvivalensprincipens förutsägelser. De utesluter inte heller all möjlig ny fysik. De begränsar bara möjliga avvikelser för de atomsystem, förhållanden och den precision som faktiskt testades.

Nästa steg

Tyngre objekt och nanodiamanter

En väg framåt är att skapa kvantsuperpositioner med objekt som är långt tyngre än atomer. Ett föreslaget bordsbaserat interferometerexperiment med nanodiamanter beskriver exempelvis hur rumsliga superpositioner kopplade till nanodiamanternas spinn kan förberedas, och hur gravitationsväxelverkan mellan dem sedan skulle kunna skapa en sammanflätande effekt. Det är en genomförbarhetsstudie, inte ett resultat som rubidiumexperimenten redan har visat. 20

Sådana plattformar kan också användas för att undersöka föreslagna modeller där gravitation bidrar till vågfunktionskollaps. Den avgörande experimentella utmaningen blir att skilja en avvikande förlust av interferenskontrast från vanlig dekoherens orsakad av omgivningen.

Längre fritt fall och tystare rymdfarkoster

Framtida rymdkoncept syftar till att pressa tester med två rubidiumisotoper mycket längre. Ett föreslaget atominterferometeruppdrag på en rymdstation har som mål att mäta universaliteten hos fritt fall med bättre precision än (10^{-15}), och pekar även ut möjliga tester av kopplingar mellan spinn och gravitation samt koherenta vågpaket med stor rumslig separation. 17

För att nå dit krävs mer än lång tid i mikrogravitation: vibrationer måste isoleras, lasrar stabiliseras, atomkällor kontrolleras och systematiska fel hanteras. En särskilt konstruerad omloppsplattform med lägre störningar kan därför vara lika viktig som längre fritt fall.

Slutsats

Det stora framsteget är inte att kvantgravitation har upptäckts. Det är att två mycket olika kvantexperiment – ett som mäter en materievågs fas i fritt fall på jorden och ett som jämför isotoper i omloppsbana – gav resultat som är förenliga med Einsteins ekvivalensprincip. Nästa gräns går vid känsligare, tyngre och bättre isolerade kvantsystem, där man kan söka efter effekter som en rent klassisk beskrivning av gravitationen kanske inte räcker till för att förklara. 21731