การแทรกสอดของอะตอมยืนยันทำนายของสัมพัทธภาพภายใต้แรงโน้มถ่วงโลก

การทดลองของทีมนานาชาติที่นำโดย Ron Folman วัดได้โดยตรงว่า แรงโน้มถ่วงทำให้เส้นทางควอนตัมสองเส้นทางของอะตอมรูบิเดียมที่เย็นจัดมี เฟสต่างกัน เท่าใด ผลการวัดจากการแทรกสอดสอดคล้อง—ภายในขีดความแม่นยำของการทดลอง—กับค่าที่ทำนายจาก หลักสมมูลของไอน์สไตน์ สำหรับเส้นทางทั้งสอง 24

การทดลองทำงานอย่างไร

นักวิจัยใช้พัลส์ไมโครเวฟสร้างสถานะซ้อนทับ (superposition) ของอะตอม ให้ประวัติของสถานะภายในและเส้นทางการเคลื่อนที่แยกออกเป็นสองแขนใกล้ชิปอะตอม

• แขนหนึ่งถูกสนามแม่เหล็กพยุงไว้ จึงแทบอยู่นิ่งแม้มีแรงโน้มถ่วงของโลก
• อีกแขนหนึ่งถูกส่งพุ่งขึ้น แล้วเคลื่อนที่แบบวิถีกระสุนก่อนตกกลับลงมาอย่างอิสระ
• เมื่อทำให้สองแขนกลับมารวมกัน ความต่างเฟสระหว่างเส้นทางจะแสดงออกเป็นรูปแบบการแทรกสอดที่ตรวจวัดได้ 24

กล่าวอย่างง่าย การทดลองไม่ได้เพียงติดตามว่าอะตอมตกอย่างไรในแบบคลาสสิก แต่ใช้การแทรกสอดเพื่อตรวจสอบผลของการตกอิสระต่อเฟสของสถานะควอนตัมโดยตรง

สิ่งที่ผลการทดลองยืนยัน—and สิ่งที่ยังไม่ยืนยัน

ผลที่ได้ชี้ว่า ในระบบอะตอมเดี่ยวภายใต้แรงโน้มถ่วงโลกที่ค่อนข้างอ่อน การวิวัฒน์ตามกลศาสตร์ควอนตัมแบบปกติให้ผลสอดคล้องกับคำทำนายจากหลักสมมูล นี่จึงเป็นการทดสอบเชิงควอนตัมของเฟสที่เกิดจากการตกอิสระ ไม่ใช่แค่การทดสอบวิถีการเคลื่อนที่แบบดั้งเดิม 24

อย่างไรก็ดี ผลนี้ ยังไม่ได้ หมายความว่า

• รวมกลศาสตร์ควอนตัมกับสัมพัทธภาพทั่วไปสำเร็จแล้ว
• พิสูจน์ว่าแรงโน้มถ่วงเองมีลักษณะเป็นควอนตัม
• ตรวจพบกราวิตอน
• ตัดสินได้ว่าแรงโน้มถ่วงเป็นทฤษฎีควอนตัมหรือทฤษฎีคลาสสิก

การทดสอบธรรมชาติควอนตัมของแรงโน้มถ่วงที่เข้มกว่านั้น ต้องมองหาหลักฐานว่าแรงโน้มถ่วงสามารถสร้าง ความพัวพันควอนตัม (entanglement) ระหว่างมวลที่แยกและควบคุมได้อย่างดีหรือไม่ ตัวอย่างแนวคิดหนึ่งคือใช้ผลโน้มถ่วงระหว่างผลึกขนาดไมครอนสองก้อนเป็นตัวก่อความพัวพัน 23

ข้อเสนอของ Roger Penrose เกี่ยวข้องอย่างไร

Roger Penrose เสนอแนวคิดว่า สถานะซ้อนทับเชิงตำแหน่งของวัตถุที่มีมวลอาจไม่เสถียรโดยพื้นฐาน หากแต่ละแขนของสถานะซ้อนทับทำให้ปริภูมิ-เวลามีความโค้งต่างกัน สถานะนั้นอาจยุบตัวเองผ่านกลไกที่เกี่ยวข้องกับแรงโน้มถ่วง โดยเวลาที่ความเชื่อมโยงเชิงควอนตัมคงอยู่จะสัมพันธ์กับความต่างของพลังงานโน้มถ่วงภายในของการกระจายมวลทั้งสองแบบ แนวคิดนี้มักเรียกว่าแบบจำลอง Diósi–Penrose 9

อะตอมรูบิเดียมเพียงอะตอมเดียวยังมีมวลน้อยเกินกว่าจะทดสอบการสลายตัวแบบขึ้นกับมวลตามข้อเสนอนี้ได้อย่างมีพลัง การทดสอบที่จริงจังกว่าจึงต้องสร้างสถานะซ้อนทับเชิงตำแหน่งที่แยกจากกันมากและอยู่นานพอในวัตถุที่หนักกว่า เช่น นาโนไดมอนด์ที่ลอยตัวได้หรืออนุภาคระดับเมโสสโคปิกอื่น ๆ 19

หากการทดลองในอนาคตยังรักษาการแทรกสอดไว้ได้นานเกินกว่าที่แบบจำลองทำนาย ก็จะช่วยจำกัดขอบเขตของแบบจำลองดังกล่าวได้ แต่หากพบการสูญเสียความเชื่อมโยงที่มากเกินคาด และมีรูปแบบการเปลี่ยนแปลงตามมวล ระยะห่าง และเวลาอย่างที่ทำนายไว้ ก็จะเป็นสัญญาณสนับสนุน—โดยยังต้องตัดคำอธิบายจากสัญญาณรบกวนหรือการสูญเสียความเชื่อมโยงจากสิ่งแวดล้อมออกให้ได้ก่อน 19