Düşen Atomlarda Yerçekiminin Kuantum Fazı İlk Kez Doğrudan Ölçüldü

Ron Folman liderliğindeki ekip, Dünya’nın yerçekiminin aşırı soğutulmuş rubidyum atomlarında oluşturduğu kuantum faz farkını doğrudan ölçtü. Quantum Galileo Interferometer adlı düzende atom dalgasının iki tutarlı yolu karşılaştırıldı: Biri manyetik alanla yerçekimine karşı neredeyse sabit tutuldu, diğeri ise yukarı fırlatılıp serbest düşüşe bırakıldı. Yollar yeniden birleştirildiğinde ortaya çıkan girişim sinyali, ölçülen koşullarda Einstein’ın eşdeğerlik ilkesinin öngördüğü fazla uyumluydu. 24

Deney tam olarak neyi ölçtü?

Kuantum parçacıkları dalga özelliği de taşır. Bu dalgalar zaman içinde faz biriktirir; faz tek başına doğrudan gözlenemez. Ancak aynı kuantum durumunun iki tutarlı kolu tekrar bir araya getirildiğinde, aralarındaki göreli faz girişim desenini değiştirir ve ölçülebilir hâle gelir.

Bu deneyde atom çipinin yakınındaki atomlar, mikrodalga darbeleriyle iki olası geçmişin süperpozisyonuna yerleştirildi. Manyetik alan, bir dalga kolunda yerçekimini dengeledi. Diğer kol ise yukarı yönlü fırlatıldıktan sonra balistik, yani serbest düşüşlü bir yörünge izledi. Kolların yeniden birleştirilmesi, aralarındaki yerçekimsel faz farkını girişim sinyaline dönüştürdü. 24

Temel bulgu şu: Ölçülen faz kayması, deneyin hassasiyet sınırları içinde eşdeğerlik ilkesi temelinde hesaplanan değerle tutarlıydı. Eşdeğerlik ilkesi, Einstein’ın kütleçekim anlayışında serbest düşüş ile yerçekimi arasındaki yerel bağlantıyı ifade eder. 24

Neden önemli bir sınama?

Bu, yalnızca klasik anlamda düşen bir cismin yörüngesini izlemek değil. Ölçümün konusu, aynı anda iki alternatif yolu izleyen tutarlı bir kuantum madde dalgasıydı. Dolayısıyla deney, Dünya’nın zayıf yerçekimi alanında aşırı soğutulmuş rubidyum atomlarının kuantum evriminin, eşdeğerlik ilkesinin öngörüsüyle uyumlu olduğunu gösteriyor. 24

Bulgular, sık sık birbiriyle gerilim içinde sunulan iki kuram alanı arasında deneysel bir bağ kuruyor: Atomun süperpozisyonunu ve girişimini kuantum mekaniği açıklarken, iki yol arasındaki faz farkına yerçekimi katkı veriyor.

Bu deney neyi kanıtlamıyor?

Sonuç, kuantum mekaniği ile genel göreliliğin birleştirildiği anlamına gelmiyor. Yerçekiminin kuantum olduğunu kanıtlamıyor, graviton tespit etmiyor ve yerçekiminin özünde kuantum mu yoksa klasik mi olduğu sorusunu kesin biçimde çözmüyor. 23

Yerçekiminin kuantum niteliğini daha doğrudan sınamak için, yeterince iyi yalıtılmış büyük kütleli nesneler arasında yerçekiminin dolanıklık üretebildiğinin gösterilmesi gerekir. Önerilen bazı deneylerde, içlerine spin sistemleri yerleştirilmiş nanodiamondlar da dâhil olmak üzere mikrometre ölçekli kristallerin uzaysal süperpozisyonlara sokulması ve karşılıklı kütleçekim etkileşimlerinin dolanıklık oluşturup oluşturmadığının ölçülmesi hedefleniyor. 34

Penrose’un çöküş hipotezi bu tabloda nereye oturuyor?

Roger Penrose, yeterince büyük kütleli bir nesne uzayda iki farklı konumun süperpozisyonunda bulunursa, bunun iki alternatif uzay-zaman geometrisine karşılık gelebileceğini ve bu durumun süresiz biçimde tutarlı kalamayacağını öne sürüyor. İlişkili Diósi–Penrose modellerinde, süperpozisyonun bozunma süresi iki kütle dağılımı arasındaki kütleçekimsel öz-enerji farkıyla ilişkilendirilir. 36

Bu, rubidyum atomu deneyinin vardığı bir sonuç değil; standart kuantum mekaniğinin olası sınırlarına ilişkin bir hipotezdir. Tek bir atom, bu tür modellerin etkilerinin en kolay gözlenmesinin beklendiği, büyük kütleli ve uzaysal olarak belirgin biçimde ayrılmış sistem türünde değildir.

Sıradaki eşik: Daha ağır kuantum nesneleri

Çöküş modellerini sınayan çalışmalar, tek atomlardan çok daha ağır nesnelerin uzaysal süperpozisyonlarını üretmeye ve çevresel etkilerle açıklanamayan bir tutarlılık kaybı olup olmadığını aramaya çalışıyor. Bu yaklaşım doğrudan önem taşıyor; çünkü söz konusu modeller, standart kuantum kuramının izin verdiği bazı süperpozisyonları yasaklayabilir. 33

Havada ya da tuzaklarda askıda tutulan nanodiamondlar ve başka küçük kristaller gibi mezoskopik parçacıkları kullanan geleceğin interferometreleri, çevreden kaynaklanan olağan dekohoransı çok sıkı denetlerken kuantum tutarlılığını korumak zorunda olacak. Bir sistem, modelin öngördüğü bozunma süresinin ötesinde girişim sergilerse model sınırlandırılabilir. Kütle, ayrım mesafesi ve zamana bağlı beklenen örüntüyle uyumlu, tekrarlanabilir bir ek tutarlılık kaybı görülürse bu incelenmeye değer bir işaret olur; ancak önce deneysel gürültü ve yerçekimi dışı açıklamalar elenmelidir. 333436

Şimdilik Quantum Galileo Interferometer sonucunun en isabetli özeti şu: İncelenen koşullarda, serbest düşen bir kuantum madde dalgası Einstein’ın eşdeğerlik ilkesinin öngördüğü yerçekimsel fazı biriktirdi. 24