อะตอมตกอย่างที่ไอน์สไตน์ทำนาย—แต่เรายังไม่ได้พิสูจน์ว่าแรงโน้มถ่วงเป็นควอนตัม

การทดลองควอนตัมกำลังทดสอบแรงโน้มถ่วงด้วยสสารที่อยู่ในสถานะควอนตัมอย่างชัดเจนขึ้นเรื่อย ๆ ข้อสรุปหลักของผลเหล่านี้แม้จะระมัดระวัง แต่มีความสำคัญมาก: ภายในขีดความไวที่การทดลองเข้าถึงได้ อะตอมมีพฤติกรรมภายใต้แรงโน้มถ่วงสอดคล้องกับ หลักสมมูลของไอน์สไตน์

อย่างไรก็ดี นี่ไม่เท่ากับการพิสูจน์ว่าสนามโน้มถ่วงมีลักษณะเป็นควอนตัม การทดลองเหล่านี้ศึกษาสสารควอนตัมที่เคลื่อนที่ในสนามโน้มถ่วง แต่ยังไม่ได้แสดงปฏิสัมพันธ์โน้มถ่วงที่ก่อให้เกิดปรากฏการณ์ซึ่งต้องเป็นควอนตัมโดยเฉพาะ เช่น การพัวพันควอนตัมระหว่างมวลสองก้อน

สองวิธีเสริมกันในการทดสอบแรงโน้มถ่วงด้วยอะตอม

1. เปรียบเทียบแพ็กเก็ตคลื่นที่ถูกพยุงไว้กับแพ็กเก็ตคลื่นที่ตกอิสระ

การทดลองการตกอิสระเชิงควอนตัมที่อธิบายไว้ในงานวิจัย ใช้คอนเดนเสตโบส–ไอน์สไตน์ของรูบิเดียม-87 แยกออกเป็นแพ็กเก็ตคลื่นที่มีความสอดคล้องเชิงควอนตัม โดยแพ็กเก็ตหนึ่งคงที่อยู่ในกรอบอ้างอิงของห้องทดลอง ขณะที่อีกแพ็กเก็ตตกอิสระ เมื่อรวมเส้นทางทั้งสองกลับเข้าด้วยกัน เฟสสัมพัทธ์ระหว่างกันจะเผยผลสะสมจากแรงโน้มถ่วง ผลที่รายงานสอดคล้องกับเฟสที่ทำนายไว้สำหรับวัตถุควอนตัมที่ตกอิสระ จึงเป็นการทดสอบความสอดคล้องของหลักสมมูลในโดเมนควอนตัมโดยตรง 19

เฟสที่รายงานมีขนาดราว 80 เรเดียน ซึ่งสำคัญเพราะเฟสคือปริมาณสังเกตได้ที่บรรจุผลของแรงโน้มถ่วงไว้ในอินเตอร์เฟอโรมิเตอร์ กล่าวอีกอย่างคือ คลื่นสสารที่กระจายตัวอยู่คนละตำแหน่งยังคงวิวัฒน์อย่างสอดคล้องกันตามสิ่งที่คาด หากมวลโน้มถ่วงและมวลเฉื่อยมีค่าเท่ากัน

คำถามของวิธีนี้คือ แรงโน้มถ่วงให้เฟสที่ถูกต้องแก่สองแขนงของสถานะควอนตัมเดียวกันหรือไม่

2. เปรียบเทียบการตกอิสระของสองไอโซโทปบนสถานีอวกาศ

การทดลองอีกแบบเปรียบเทียบความเร่งของไอโซโทปรูบิเดียมเย็นยิ่งยวดสองชนิด ด้วยอินเตอร์เฟอโรเมทรีของอะตอมบนสถานีอวกาศจีนตลอดช่วงการเก็บข้อมูล 280 วัน ผลต่างที่ไม่พบสัญญาณอย่างมีนัยสำคัญที่ระดับประมาณ 5 ส่วนใน 100 ล้านส่วน เป็นการทดสอบ “ความเป็นสากลของการตกอิสระ” กล่าวคือ ค้นหาว่าวัตถุทดสอบซึ่งมีองค์ประกอบต่างกันจะเร่งตกต่างกันหรือไม่

แนวทางนี้ต่างเชิงแนวคิดจากการเปรียบเทียบแพ็กเก็ตคลื่นที่ถูกพยุงกับแพ็กเก็ตที่ตกอิสระ เพราะไม่ได้เปรียบเทียบสองเส้นทางของอะตอมชนิดเดียว แต่ถามว่า วัตถุทดสอบควอนตัมสองชนิดตกเหมือนกันหรือไม่ การไม่พบความเร่งต่างกันจึงสนับสนุนหลักสมมูลอย่างอ่อนในระบอบการทดลองควอนตัมนี้

อินเตอร์เฟอโรมิเตอร์อะตอมเหมาะกับงานลักษณะนี้ เพราะการควบคุมคลื่นสสารให้สอดคล้องกันสามารถแปลงความเร่งเป็นเฟสที่วัดได้ อะตอมเย็นจึงถูกใช้เป็นเซ็นเซอร์เฉื่อย โดยทำหน้าที่เสมือนมวลอ้างอิงที่ตกอิสระ 4

ผลลัพธ์เหล่านี้สำคัญอย่างไร

เมื่อนำมาดูร่วมกัน การทดลองทั้งสองตรวจสอบแนวคิดที่เชื่อมโยงกันสองข้อ

• ความสอดคล้องของเฟสโน้มถ่วง: สถานะซ้อนทับควอนตัมสะสมเฟสสัมพัทธ์จากแรงโน้มถ่วงได้ตามที่ทฤษฎีคาด
• ความเป็นสากลของการตกอิสระ: อะตอมควอนตัมต่างชนิดไม่แสดงความแตกต่างของความเร่งโน้มถ่วงภายในความไวที่การทดลองระบุ

นี่คือการตรวจสอบความสอดคล้องที่มีความหมายตรงรอยต่อระหว่างกลศาสตร์ควอนตัมกับแรงโน้มถ่วง โดยขยายหลักการที่ผ่านการทดสอบกับวัตถุแบบคลาสสิกมานาน ไปสู่การทดลองที่ต้องอาศัยการแทรกสอด ซึ่งเป็นลายเซ็นของวิวัฒน์เชิงควอนตัมที่มีความสอดคล้อง

แต่ผลเหล่านี้เป็นการเสริม ไม่ได้เหนือกว่าการทดสอบหลักสมมูลแบบไม่ใช่ควอนตัมในทุกด้าน ตัวอย่างเช่น ดาวเทียม MICROSCOPE ใช้มวลทดสอบแบบคลาสสิกและไม่พบความคลาดเคลื่อนของความเร่งที่ระดับราว 1 ส่วนใน 10¹⁴ ซึ่งเป็นขีดจำกัดเชิงตัวเลขที่เข้มงวดกว่ามาก แม้อยู่ในระบอบการทดลองที่ต่างกัน 34

สิ่งที่การทดลองยังพิสูจน์ไม่ได้

ข้อสรุปที่หนักแน่นที่สุดก็เป็นข้อสรุปที่แคบที่สุด: สสารควอนตัมมีพฤติกรรมสอดคล้องกับแรงโน้มถ่วงมาตรฐาน ภายใต้เงื่อนไขที่ทดสอบ

ผลเหล่านี้เพียงลำพังยังไม่ได้พิสูจน์ว่า

• แรงโน้มถ่วงมีอนุภาคพาหะคือกราวิตอน
• ปริภูมิ-เวลาถูกทำให้เป็นควอนตัม
• แรงโน้มถ่วงทำให้ระบบควอนตัมสองระบบที่แยกจากกันเกิดการพัวพันได้
• กลศาสตร์ควอนตัมและทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปถูกรวมเป็นทฤษฎีเดียวแล้ว

ทั้งสองผลยังสอดคล้องกับคำอธิบายแบบกึ่งคลาสสิกมาตรฐาน ซึ่งสสารวิวัฒน์ตามกลศาสตร์ควอนตัม ขณะที่แรงโน้มถ่วงแทนด้วยฉากหลังของปริภูมิ-เวลาแบบคลาสสิก

ยังต้องระวังเรื่องผลเชิงระบบด้วย แพ็กเก็ตคลื่นอะตอมที่ถูกพยุงต้องอาศัยสนามกัก และการวัดแบบอินเตอร์เฟอโรเมทรีอาจได้รับผลจากสนามแม่เหล็ก การสั่นสะเทือน การหมุน เฟสของเลเซอร์ รูปหน้าคลื่น และการเลื่อนที่ขึ้นกับชนิดอะตอม คุณค่าทางวิทยาศาสตร์จึงไม่ได้อยู่ที่การเห็นเฟสเท่านั้น แต่อยู่ที่การสร้างแบบจำลองและควบคุมผลที่ไม่ใช่แรงโน้มถ่วงได้ดีพอ จนแยกการเปรียบเทียบที่เกิดจากแรงโน้มถ่วงออกมาได้

เหตุใดการปล่อยให้ระบบวิวัฒน์นานขึ้นจึงช่วยได้

อินเตอร์เฟอโรเมทรีของอะตอมแปลงความเร่งเป็นเฟส ดังนั้นการยืดเวลาที่แพ็กเก็ตคลื่นวิวัฒน์จึงอาจทำให้สัญญาณโน้มถ่วงแยกออกจากสัญญาณรบกวนได้ง่ายขึ้น แต่ต้องรักษาความสอดคล้อง คอนทราสต์ และการควบคุมวิถีให้ดีไปพร้อมกัน

มีตัวอย่างเชิงทดลองของความสอดคล้องที่ยาวนาน: อินเตอร์เฟอโรมิเตอร์อะตอมซีเซียมรักษาความสอดคล้องไว้ได้ 20 วินาทีในโครงข่ายแสง และลดความแปรปรวนของเฟสจากการสั่นสะเทือนในห้องปฏิบัติการลงได้สูงสุดถึง 10⁴ เทียบกับกราวิมิเตอร์อะตอมแบบดั้งเดิมที่มีความไวต่อสัญญาณกระแสตรงเท่ากัน 12

อีกทางหนึ่งคือเพิ่มโมเมนตัมที่แยกกันระหว่างแขนของอินเตอร์เฟอโรมิเตอร์ และเพิ่มระยะห่างเชิงพื้นที่ของแพ็กเก็ตคลื่น ตัวอย่างการทดลองผลอะฮารอนอฟ–โบห์มจากแรงโน้มถ่วง ใช้ตัวแยกลำแสงแบบถ่ายโอนโมเมนตัมขนาดใหญ่ และแยกแพ็กเก็ตคลื่นได้ 25 เซนติเมตร เพื่อวัดเฟสที่เกิดจากมวลต้นกำเนิดซึ่งทำจากทังสเตน 11

แพลตฟอร์มอวกาศน่าสนใจเพราะสภาวะไมโครกราวิตีอาจเปิดทางให้ใช้เวลาวัดได้นาน โดยไม่ต้องสร้างอุปกรณ์บนโลกให้สูงมาก แต่เวลาอย่างเดียวยังไม่พอ การสั่นและการหมุนของยาน การเลื่อนจากอุณหภูมิ สนามแม่เหล็ก เสถียรภาพของเลเซอร์ จำนวนอะตอม และคอนทราสต์ของอินเตอร์เฟอโรมิเตอร์ ล้วนต้องดีขึ้นพร้อมกัน

เหตุใดนาโนไดมอนด์จึงเป็นก้าวถัดไปที่น่าจับตา

อะตอมเป็นหัววัดควอนตัมที่สะอาดมาก แต่มีมวลน้อย ข้อเสนอให้ใช้นาโนไดมอนด์ที่ลอยตัวหรืออยู่ในการตกอิสระ มีเป้าหมายเพื่อสร้างสถานะซ้อนทับเชิงพื้นที่ของวัตถุที่มีมวลมากกว่าอย่างมาก

ตำหนิไนโตรเจน-ช่องว่าง หรือศูนย์ NV ในนาโนไดมอนด์ สามารถเป็นองศาอิสระแบบสปินภายในที่ควบคุมได้ เพื่อเชื่อมโยงสปินเข้ากับการเคลื่อนที่ และทำให้จุดศูนย์กลางมวลของอนุภาคอยู่ในสถานะซ้อนทับเชิงพื้นที่ แนวทางนี้ถูกเสนอให้ใช้ทดสอบขอบเขตของสถานะซ้อนทับในวัตถุมวลมาก และอาจเป็นเส้นทางสู่การตรวจสอบลักษณะควอนตัมของแรงโน้มถ่วง 2021

เป้าหมายสำคัญหนึ่งคือ แบบจำลองการยุบตัวอย่างเป็นวัตถุวิสัย ซึ่งเสนอว่าสถานะซ้อนทับที่มีมวลมากหรือแยกห่างมากพอจะสูญเสียความสอดคล้องเพิ่มขึ้นเอง หากตรวจพบการแทรกสอดที่มีคอนทราสต์สูงอย่างต่อเนื่องในนาโนไดมอนด์มวลมาก ก็อาจจำกัดแบบจำลองบางกลุ่มได้ แต่หากคอนทราสต์หายไป ก็ยังไม่อาจสรุปได้ทันทีว่าเป็นการยุบตัวจากแรงโน้มถ่วง เพราะการสูญเสียความสอดคล้องจากสิ่งแวดล้อมเป็นคำอธิบายคู่แข่งที่ต้องตัดออกก่อน ข้อเสนอสำหรับนาโนไดมอนด์ลอยตัวระบุการทดสอบแบบจำลองการยุบตัวไว้เป็นหนึ่งในเป้าหมายทางวิทยาศาสตร์โดยตรง 2026

ข้อเสนอที่ชี้ขาดกว่าเกี่ยวกับควอนตัมเกรวิตีต้องใช้มวลสองก้อน โดยให้แต่ละก้อนอยู่ในสถานะซ้อนทับเชิงพื้นที่ และอนุญาตให้แรงโน้มถ่วงเป็นปฏิสัมพันธ์เพียงอย่างเดียวระหว่างกัน หากมวลทั้งคู่เกิดการพัวพัน และสามารถตัดปฏิสัมพันธ์ที่ไม่ใช่แรงโน้มถ่วงออกได้อย่างน่าเชื่อถือ นั่นจะเป็นหลักฐานว่าแรงโน้มถ่วงส่งผ่านข้อมูลควอนตัมได้ มีการวิเคราะห์รูปแบบการทดลองบนโต๊ะที่ใช้นาโนไดมอนด์สำหรับแนวคิดนี้แล้ว 2223

บทสรุป

การทดลองอะตอมเหล่านี้ไม่ใช่หลักฐานว่าแรงโน้มถ่วงถูกทำให้เป็นควอนตัมแล้ว แต่เป็นหลักฐานว่า ณ ตอนนี้ สสารควอนตัมยังปฏิบัติตามคำทำนายของหลักสมมูล แม้การเคลื่อนที่จะถูกอ่านออกผ่านการแทรกสอดควอนตัม

นี่เป็นฐานรากที่จำเป็นสำหรับการทดสอบที่ลึกกว่านี้ หมุดหมายเชิงคุณภาพถัดไปคือการพบลายเซ็นควอนตัมของแรงโน้มถ่วงเองอย่างน่าเชื่อถือ ไม่ใช่เพียงการวัดการตกอิสระให้แม่นขึ้น แต่ต้องเป็นหลักฐานว่าแรงโน้มถ่วงก่อการพัวพัน หรือสร้างผลอื่นที่สนามโน้มถ่วงแบบคลาสสิกเพียงอย่างเดียวอธิบายไม่ได้