Düşen bir atomun kuantum fazında Einstein’ın izi ölçüldü

Uluslararası bir ekip, Kuantum Galileo İnterferometresi ile serbest düşen bir kuantum nesnesi için uzun zamandır öngörülen kütleçekim fazını doğrudan ölçtü. Ben-Gurion Negev Üniversitesi, Ulm Üniversitesi ve Oxford Üniversitesi araştırmacılarının yer aldığı ekip, ultra soğuk rubidyum atomlarında laboratuvara göre tutulan bir madde dalgası kolunu serbest bırakılan başka bir kolla karşılaştırdı. Ölçülen faz, Einstein’ın eşdeğerlik ilkesi bu düşük enerjili kuantum düzeneğine uygulandığında elde edilen öngörüyle uyuştu. 12

Deney tam olarak ne yaptı?

Araştırmacılar önce rubidyum atomlarını, dalga benzeri kuantum davranışlarının tutarlı biçimde denetlenebildiği çok düşük sıcaklıklara soğuttu. Ardından atomların dalga fonksiyonunu uzayda ayrılmış iki dalga paketi yoluna böldüler. 12

Bu yollardan biri manyetik alanlar yardımıyla laboratuvara göre yaklaşık sabit tutuldu. Diğer yol ise fırlatıldıktan sonra serbest düşüşe bırakıldı; yani bu kol düşüş süresince deneyciler tarafından kuvvet uygulanmadan evrildi. 2

Belirlenen sürenin sonunda iki yol yeniden birleştirildi. Suya atılan iki dalganın üst üste gelmesi gibi, kuantum dalgaları da girişim oluşturdu. Bu girişim, iki yol boyunca biriken kuantum evrim farkını, yani göreli fazı, taşır. Bir kol serbest düşerken diğeri desteklendiği için araştırmacılar serbest düşüşe bağlı fazı ayırarak ölçebildi. 2

Einstein’ın eşdeğerlik ilkesi kuantum dünyasında ne söylüyor?

Einstein’ın eşdeğerlik ilkesi, serbest düşen bir gözlemci için kütleçekimin etkilerinin yerel olarak ortadan kalktığını söyler. Yeni çalışma, bu fikrin uzayda farklı yollar boyunca aynı anda yayılmış tutarlı bir madde dalgasıyla nasıl bağdaştığını sınadı.

Ölçülen göreli faz, serbest düşüş için hesaplanan faza uydu. Bu, incelenen rejimde eşdeğerlik ilkesinin yalnızca kesin bir yörünge izleyen klasik parçacıklara değil, kuantum nesnelerine de tutarlı biçimde uygulanabildiğini gösteren kanıttır. 12

Buradaki ayrım önemli: Araştırmacılar yalnızca bir atom bulutunun ortalama ivmesini izlemedi. Atomun dalga fonksiyonu süperpozisyona yerleştirildi ve iki kolu arasındaki faz farkı doğrudan okundu. 12

Bu sonuç neyi göstermiyor?

Bu bulgu, kuantum kütleçekiminin keşfi olarak sunulmamalı.

Deney, kuantum mekaniği ile genel göreliliği birleştirmiyor. Hesaplamada atom kuantum mekaniksel olarak ele alınırken kütleçekim, klasik bir arka plan alanı olarak kabul ediliyor. Sonuç, yaygın kullanılan bu düşük enerjili çerçevenin deney koşullarında gözlenen fazı doğru öngördüğünü doğruluyor. 2

Ayrıca kütleçekimin kendisinin kuantum alanı olduğunu ya da kuantum bilgi taşıdığını da göstermiyor. Kütleçekim etkileşiminin kuantum özelliklerine ilişkin kesin deneysel kanıt henüz yok. 4855

Bu soruya yönelik sık önerilen yaklaşım, iki kütleyi kuantum durumlarına hazırlayıp yalnızca aralarındaki kütleçekim etkileşiminin ürettiği dolaşıklığı aramaktır. Ancak böyle deneylerin yorumu bazı kuramsal varsayımlara bağlıdır; güncel çalışmalar, kimi klasik kütleçekim çerçevelerinin de dolaşıklık benzeri etkiler üretebileceği tartışmasını sürdürüyor. 515359

Neden Penrose tipi kütleçekimsel çöküş testi değil?

Roger Penrose, yeterince büyük uzaysal süperpozisyonların, farklı kütle dağılımları nedeniyle kendiliğinden tutarlılığını yitirebileceğini öne sürmüştü. Kuantum Galileo İnterferometresi ise atomik madde dalgalarının tutarlı fazını ölçtü; büyük kütleli ve uzun ömürlü süperpozisyonlarda girişim görünürlüğünün olağandışı biçimde kaybolup kaybolmadığını aramak için tasarlanmış değildi.

Bu tür çöküş önerilerini sınamak için kütle, uzaysal ayrım ve tutarlılık süresini değiştirebilen; aynı zamanda sıradan dekohorens kaynaklarını dışlayabilen deneyler gerekir. Çarpışmalar, elektromanyetik gürültü, titreşimler ve teknik kusurlar, yeni bir kütleçekim mekanizmasına işaret etmeden de girişim görünürlüğünü azaltabilir.

Dolayısıyla yeni ölçüm, incelenen atomik rejimde olağan kuantum tutarlılığını destekliyor. Daha büyük nesneler için geliştirilen çöküş modellerini ne doğruluyor ne de kesin biçimde dışlıyor.

Neden sıradaki hedef nanodiamond olabilir?

Nanodiamondlarla önerilen interferometreler, madde dalgası deneylerini çok daha yüksek kütlelere taşımayı hedefliyor. Bir nanodiamond içine yerleştirilmiş azot-boşluk (NV) merkezi, manyetik gradyanların uzaysal süperpozisyon oluşturmak ve kontrol etmek için kullanabileceği bir spin derecesi sağlayabilir. 1721

Çip tabanlı bir öneri, yaklaşık (10^{-19}) ile (10^{-15}) kilogram arasındaki parçacık kütlelerini hedefliyor. 20 Böyle deneyler, nesne ağırlaştıkça ve çevre etkilerine daha duyarlı hâle geldikçe kuantum tutarlılığının sürüp sürmediğini araştırabilir.

Yeterince iyi yalıtılmış, büyük kütleli bir süperpozisyon belirli bir çöküş modelinin izin verdiğinden daha uzun yaşarsa model sınırlandırılabilir. Girişim kaybolursa da araştırmacıların önce bunun sıradan dekohorensle açıklanamayacağını göstermesi gerekir.

Tiangong’un yörüngedeki atom düşme testiyle farkı ne?

Kuantum Galileo İnterferometresi ile Çin Uzay İstasyonu Tiangong’daki atom interferometrisi deneyi, hem kütleçekimle hem de ultra soğuk atomlarla ilgilidir; fakat farklı sorular sorarlar.

Tiangong deneyi, yörüngede iki rubidyum izotopunun serbest düşüş ivmelerini karşılaştırmak için çift türden bir (^{85})Rb/(^{87})Rb atom interferometresi kullandı. 280 günlük veriye dayanan zayıf eşdeğerlik ilkesi testinde bildirilen belirsizlik (2,8\times10^{-8}), sonuç ise ((-3,1\pm4,6)\times10^{-7}) oldu. 3541

Bu, serbest düşüşün evrenselliğini sınar: Farklı test cisimleri aynı kütleçekim alanında aynı biçimde mi ivmelenir?

Kuantum Galileo İnterferometresi ise aynı tutarlı madde dalgasının iki kolunu —biri desteklenen, diğeri serbest düşen— karşılaştırarak serbest düşüşün öngörülen kuantum fazını ölçer. 2

Her iki çalışma da kuantum atomlarla eşdeğerlik ilkesi fiziğini destekliyor. Ancak hiçbiri tek başına kütleçekimin kuantumlaşmış olduğunu göstermiyor.

Temkinli sonuç

Kuantum Galileo İnterferometresi dar kapsamlı ama önemli bir eşiği geçti: Serbest düşen atomik bir madde dalgasının kütleçekim tarafından öngörülen fazını doğrudan gözlemledi. Kuramla uyum, eşdeğerlik ilkesi testini nesnenin denetlenmiş kuantum süperpozisyonunda bulunduğu bir ortama taşıyor. 12

Bu sonucun önemi en doğru biçimde şöyle ifade edilebilir: Ölçülen düşük enerjili rejimde kuantum mekaniği ile Einstein’ın eşdeğerlik ilkesinin uyumlu kaldığına dair güçlü bir kanıttır; tamamlanmış bir kuantum kütleçekimi kuramı ya da kütleçekim kaynaklı kuantum çöküş testi değildir.