Fallande atomer visar gravitationens förutsagda kvantfas

Ett internationellt forskarlag lett av Ron Folman har direkt mätt en kvantmekanisk fasförskjutning som orsakas av jordens gravitation. I den så kallade Quantum Galileo Interferometer jämfördes två sammanhängande atomvågar: en hölls nästan stilla av ett magnetfält, medan den andra först skickades uppåt och därefter föll fritt. När vägarna fördes samman igen stämde interferenssignalen med den fas som förutsägs av Einsteins ekvivalensprincip, inom mätningens precision. 24

Det var fasen – inte bara fallet – som mättes

Kvantpartiklar kan beskrivas som vågor. När en sådan våg utvecklas samlar den på sig en fas, ungefär som ett läge i en svängningscykel. Fasen kan normalt inte observeras direkt, men skillnaden mellan faser i två sammanhängande vågvägar går att läsa av när vägarna kombineras: den ändrar interferensmönstret.

I försöket placerades ultrakalla rubidiumatomer nära ett atomchip i en superposition med mikrovågspulser. Det innebar att atomens kvanttillstånd följde två alternativa historiker samtidigt. Magnetfält motverkade gravitationen för den ena grenen, medan den andra följde en ballistisk bana uppåt och sedan nedåt i fritt fall. När grenarna återförenades omvandlades deras relativa gravitationsfas till en mätbar interferenssignal. 24

Kärnresultatet är att den uppmätta fasförskjutningen var förenlig med ekvivalensprincipens förutsägelse. Principen, som är central i Einsteins gravitationsteori, knyter lokalt samman fritt fall och gravitation. 24

Varför resultatet är viktigt

Det här är inte enbart en precisionsmätning av en klassisk fallrörelse. Det som undersöks är en koherent kvantvåg som följer två möjliga vägar i interferometern. För ultrakalla rubidiumatomer i jordens svaga gravitationsfält visar försöket alltså att den observerade kvantutvecklingen är förenlig med ekvivalensprincipens förutsägelse. 24

Resultatet ger därmed ett experimentellt samband mellan två teoribildningar som ofta beskrivs som svåra att förena: kvantmekaniken styr atomens superposition och interferens, medan gravitationen ger upphov till fasskillnaden mellan vägarna.

Vad försöket inte visar

Studien innebär inte att kvantmekaniken och den allmänna relativitetsteorin nu har förenats. Den visar inte heller att gravitationen är kvantiserad, att gravitoner finns eller att man definitivt kan avgöra om gravitationen är fundamentalt kvantmekanisk eller klassisk. 23

Ett mer direkt test av gravitationens kvantkaraktär vore att visa att gravitationen kan skapa sammanflätning mellan tillräckligt isolerade massiva objekt. Föreslagna experiment går ut på att skapa rumsliga superpositioner av kristaller i mikrometerstorlek, exempelvis nanodiamanter med inbyggda spinnsystem, och sedan undersöka om deras ömsesidiga gravitation ger upphov till sammanflätning. 34

Penroses hypotes om kollaps

Roger Penrose har lagt fram en annan möjlighet: att ett tillräckligt massivt objekt i en rumslig superposition motsvarar alternativa rumtidsgeometrier som inte kan behålla sin koherens hur länge som helst. I närbesläktade Diósi–Penrose-modeller kopplas den förväntade sönderfallstiden till skillnaden i gravitationell självenergi mellan de massfördelningar som superpositionen omfattar. 36

Detta är en hypotes om en möjlig gräns för vanlig kvantmekanik, inte en slutsats av rubidiumförsöket. En enskild atom är inte den typ av storskaligt, rumsligt separerat system där sådana modeller väntas vara lättast att testa.

Tyngre kvantobjekt är nästa steg

Försök att testa kollapsmodeller behöver skapa rumsliga superpositioner av objekt som är mycket tyngre än enskilda atomer och sedan leta efter koherensförlust som inte kan förklaras av vanlig miljöstörning. Översikter av experiment med kollapsmodeller pekar ut massiva rumsliga superpositioner som den mest direkta vägen, eftersom modellerna kan förbjuda superpositioner som standardkvantmekaniken tillåter. 33

Framtida interferometrar med mesoskala partiklar, till exempel leviterade nanodiamanter eller andra små kristaller, måste kunna bevara koherensen samtidigt som vanlig dekoherens från omgivningen kontrolleras noggrant. Om interferensen kvarstår längre än en modells förutsagda sönderfall skulle modellen begränsas. Om man i stället finner en reproducerbar extra koherensförlust med den väntade kopplingen till massa, separation och tid, vore det ett resultat som behöver undersökas vidare – men även då måste experimentellt brus och andra icke-gravitationella förklaringar uteslutas. 333436

Tills vidare bör resultatet från Quantum Galileo Interferometer förstås på sitt mest precisa sätt: i den testade situationen samlade en fritt fallande kvantmateriavåg på sig den gravitationsfas som Einsteins ekvivalensprincip förutsäger. 24