อะตอมที่ตกอย่างอิสระเผย “เฟสควอนตัม” ของแรงโน้มถ่วง ตามที่ไอน์สไตน์ทำนาย

ทีมนักวิจัยนำโดย รอน โฟล์แมน วัดการเลื่อนเฟสควอนตัมที่เกิดจากแรงโน้มถ่วงของโลกได้โดยตรงในอะตอมรูบิเดียมเย็นยิ่งยวด ด้วยอุปกรณ์ Quantum Galileo Interferometer นักวิจัยเปรียบเทียบคลื่นอะตอมสองเส้นทางที่ยังคงความสอดคล้องกันทางควอนตัม: เส้นทางหนึ่งถูกสนามแม่เหล็กพยุงให้เกือบอยู่นิ่ง ส่วนอีกเส้นถูกส่งขึ้นก่อนตกอย่างอิสระ เมื่อรวมสองเส้นทางกลับเข้าด้วยกัน สัญญาณแทรกสอดที่ได้สอดคล้องกับเฟสที่หลักสมมูลของไอน์สไตน์ทำนายไว้ ภายในขอบเขตความแม่นยำของการทดลอง 24

สิ่งที่ทีมวัดได้

ในกลศาสตร์ควอนตัม อนุภาคมีลักษณะเป็นคลื่น และคลื่นสามารถสะสมสิ่งที่เรียกว่า เฟส ระหว่างการวิวัฒน์ได้ โดยลำพังเฟสนี้มักสังเกตไม่ได้ แต่หากนำคลื่นสองเส้นทางที่ยังรักษาความสอดคล้องกลับมาซ้อนทับกัน ความต่างของเฟสจะแสดงออกมาเป็นรูปแบบการแทรกสอดที่วัดได้

ในการทดลอง ไมโครเวฟพัลส์ทำให้อะตอมอยู่ในภาวะซ้อนทับ โดยมีประวัติการเคลื่อนที่สองแบบใกล้กับชิปอะตอม เส้นทางหนึ่งมีสนามแม่เหล็กชดเชยแรงโน้มถ่วง ขณะที่อีกเส้นทางเคลื่อนที่แบบวิถีกระสุน คือถูกส่งขึ้นแล้วตกกลับลงมาอย่างอิสระ การรวมเส้นทางทั้งสองอีกครั้งจึงเปลี่ยนความต่างเฟสจากแรงโน้มถ่วงให้กลายเป็นสัญญาณแทรกสอดที่ตรวจวัดได้ 24

ใจความสำคัญคือ เฟสที่สังเกตได้สอดคล้องกับคำทำนายจากหลักสมมูลภายในความละเอียดของการทดลอง หลักนี้เป็นแกนสำคัญในทฤษฎีของไอน์สไตน์ ซึ่งเชื่อมโยงการตกอิสระกับแรงโน้มถ่วงในระดับท้องถิ่น 24

เหตุใดจึงเป็นการทดสอบที่มีความหมาย

นี่ไม่ใช่เพียงการวัดวิถีการตกแบบฟิสิกส์คลาสสิก เพราะสิ่งที่กำลังถูกทดสอบคือคลื่นสสารควอนตัมที่อยู่ในภาวะซ้อนทับและเดินทางตามสองทางเลือกพร้อมกัน การทดลองจึงแสดงว่า สำหรับอะตอมรูบิเดียมเย็นยิ่งยวดในสนามโน้มถ่วงอ่อนของโลก วิวัฒนาการเชิงควอนตัมที่วัดได้นั้นสอดคล้องกับคำทำนายของหลักสมมูล 24

ผลลัพธ์นี้เป็นสะพานเชิงทดลองระหว่างกรอบแนวคิดสองชุดที่มักถูกมองว่ามีความตึงเครียดต่อกัน: กลศาสตร์ควอนตัมอธิบายภาวะซ้อนทับและการแทรกสอดของอะตอม ส่วนแรงโน้มถ่วงทำให้เกิดความต่างเฟสที่สัมพันธ์กับเส้นทางทั้งสอง

สิ่งที่การศึกษานี้ยังไม่ได้พิสูจน์

ผลการทดลองไม่ได้หมายความว่ากลศาสตร์ควอนตัมกับสัมพัทธภาพทั่วไปถูกรวมเป็นทฤษฎีเดียวแล้ว และไม่ได้พิสูจน์ว่าแรงโน้มถ่วงมีลักษณะเป็นควอนตัม ไม่ได้ตรวจพบกราวิตอน และยังไม่สามารถชี้ขาดได้ว่าแรงโน้มถ่วงมีธรรมชาติพื้นฐานเป็นควอนตัมหรือคลาสสิก 23

แนวทางที่ตรงกว่าสำหรับทดสอบธรรมชาติควอนตัมของแรงโน้มถ่วง คือแสดงให้เห็นว่าแรงโน้มถ่วงสามารถสร้าง ความพัวพันเชิงควอนตัม ระหว่างวัตถุที่มีมวลและถูกแยกจากสภาพแวดล้อมได้ดีพอ ข้อเสนอการทดลองบางแบบมุ่งสร้างภาวะซ้อนทับเชิงตำแหน่งในผลึกขนาดระดับไมครอน เช่น นาโนไดมอนด์ที่มีระบบสปินฝังอยู่ แล้วตรวจว่าปฏิสัมพันธ์โน้มถ่วงระหว่างกันก่อความพัวพันหรือไม่ 34

สมมติฐานการยุบตัวของเพนโรสเกี่ยวข้องอย่างไร

โรเจอร์ เพนโรส เสนอความเป็นไปได้อีกแบบหนึ่งว่า หากวัตถุที่มีมวลมากอยู่ในภาวะซ้อนทับเชิงตำแหน่ง สภาวะนั้นอาจสอดคล้องกับเรขาคณิตของปริภูมิ-เวลาหลายแบบที่ต่างกัน และไม่อาจคงความสอดคล้องไว้ได้ตลอดไป ในแบบจำลองที่เกี่ยวข้องกับดิออซี–เพนโรส (Diósi–Penrose) เวลาที่คาดว่าภาวะซ้อนทับจะสลายสัมพันธ์กับความต่างของพลังงานโน้มถ่วงภายในตัวเองของการกระจายมวลทั้งสองแบบ 36

นี่คือสมมติฐานว่ากลศาสตร์ควอนตัมมาตรฐานอาจมีขีดจำกัด ไม่ใช่ข้อสรุปจากการทดลองกับรูบิเดียม อะตอมเดี่ยวไม่ใช่ระบบมวลมากที่แยกตำแหน่งออกจากกันไกล ซึ่งเป็นสเกลที่แบบจำลองลักษณะนี้น่าจะทดสอบได้ชัดเจนกว่า

เหตุใดวัตถุควอนตัมที่หนักกว่าจึงเป็นด่านต่อไป

การทดสอบแบบจำลองการยุบตัวพยายามสร้างภาวะซ้อนทับเชิงตำแหน่งของวัตถุที่หนักกว่าอะตอมเดี่ยวมาก แล้วมองหาการสูญเสียความสอดคล้องที่อธิบายไม่ได้ด้วยสัญญาณรบกวนจากสิ่งแวดล้อมตามปกติ งานทบทวนด้านการทดลองระบุว่า การสร้างภาวะซ้อนทับเชิงตำแหน่งของวัตถุมวลมากเป็นแนวทางตรงที่สุด เพราะแบบจำลองเหล่านี้อาจห้ามภาวะซ้อนทับที่ทฤษฎีควอนตัมมาตรฐานอนุญาต 33

อินเตอร์เฟอโรมิเตอร์ในอนาคตที่ใช้อนุภาคระดับเมโสสโคปิก เช่น นาโนไดมอนด์ลอยตัวหรือผลึกขนาดเล็กชนิดอื่น ต้องรักษาความสอดคล้องของระบบไว้ พร้อมควบคุมการสูญเสียความสอดคล้องจากสิ่งแวดล้อมอย่างเข้มงวด หากระบบยังคงให้สัญญาณแทรกสอดได้นานกว่าที่แบบจำลองคาดว่าจะสลาย ก็จะช่วยจำกัดแบบจำลองนั้นได้ แต่หากพบการสูญเสียความสอดคล้องส่วนเกินที่ทำซ้ำได้ และมีความสัมพันธ์กับมวล ระยะห่าง และเวลาอย่างที่แบบจำลองทำนาย ก็จะเป็นหลักฐานที่ควรตรวจสอบต่อไป โดยยังต้องตัดคำอธิบายจากสัญญาณรบกวนหรือปัจจัยอื่นที่ไม่ใช่แรงโน้มถ่วงออกให้ได้ก่อน 333436

สำหรับตอนนี้ ข้อสรุปที่แม่นยำที่สุดจาก Quantum Galileo Interferometer คือ ภายใต้เงื่อนไขที่ทดลอง คลื่นสสารควอนตัมที่ตกอย่างอิสระสะสมเฟสจากแรงโน้มถ่วงตามที่หลักสมมูลของไอน์สไตน์ทำนาย 24