Atominterferometer mäter gravitationens kvantfas – men avgör inte om gravitationen är kvantmekanisk

Forskargruppen, ledd av Ron Folman och med samarbeten från bland annat Ben-Gurion-universitetet, Oxford och Ulm samt Roger Penrose, mätte direkt den gravitationsorsakade kvantfasdifferensen mellan två koherenta vägar för ultrakalla rubidiumatomer.

Den ena atomgrenen hölls nästan stilla mot jordens gravitation av magnetfält. Den andra skickades uppåt och fick sedan falla fritt. När vägarna återförenades gick deras relativa fas att avläsa i ett interferensmönster. Den uppmätta fasförskjutningen stämde, inom experimentets precision, med den fas som Einsteins ekvivalensprincip förutsäger för dessa två vägar. 24

Så fungerade försöket

Mikrovågspulser försatte atomerna, nära ett atomchip, i en superposition av två interna tillstånd och därmed två olika rörelsehistorier. Magnetfältet bar upp den ena delen av superpositionen, medan den andra följde en ballistisk bana: först uppåt, därefter nedåt i fritt fall. När grenarna kombinerades igen blev skillnaden mellan deras kvantfaser ett mätbart interferenssignal. 24

Det är ett direkt test av hur gravitation påverkar fasen i en kvantsuperposition, snarare än bara ett klassiskt test av en fallande kropps bana.

Vad resultatet visar – och inte visar

I den här situationen, med enskilda atomer och jordens svaga gravitationsfält, ger vanlig kvantmekanisk utveckling och ekvivalensprincipen det resultat som observerades. 24

Däremot innebär resultatet inte att gravitationen i sig har visats vara kvantmekanisk. Studien förenar inte kvantmekanik och allmän relativitet, påvisar inte gravitoner och avgör inte om gravitationens grundläggande natur är klassisk eller kvantmekanisk. Ett tydligare test av gravitationens kvantnatur skulle exempelvis vara att visa att gravitation kan skapa intrassling mellan två tillräckligt isolerade massor. 23

Varför Roger Penroses idé kräver tyngre objekt

Penrose har föreslagit en gravitationsrelaterad mekanism för objektiv kollaps av vågfunktionen. Tanken är att ett massivt objekt i en rumslig superposition motsvarar två olika krökningar av rumtiden, vilket skulle göra superpositionen instabil. Koherensen skulle då avta på en tidsskala som hänger samman med skillnaden i gravitationell självenergi mellan de två massfördelningarna. 9

En enda rubidiumatom är dock alldeles för lätt för att ge ett starkt test av en sådan massberoende kollaps. För det behövs stora och långlivade rumsliga superpositioner av tyngre, mesoscopiska system – exempelvis leviterade nanodiamanter eller andra små partiklar. Då skulle forskare kunna söka efter en extra förlust av interferens, utöver den vanliga miljöorsakade dekoherensen, med den massa-, avstånds- och tidsberoende skala som Penrose-liknande modeller förutsäger. 19

Om koherensen överlever längre än modellen tillåter skulle modellen begränsas. Om en reproducerbar extra avklingning däremot uppträder med rätt skalning vore det stödjande – men först efter att alternativa förklaringar, som tekniskt brus och vanlig dekoherens från omgivningen, har kunnat uteslutas.