Атоми у вільному падінні підтвердили передбачений гравітацією квантовий фазовий зсув

Фізики під керівництвом Рона Фолмана безпосередньо виміряли квантовий фазовий зсув, спричинений земним тяжінням, в ультрахолодних атомах рубідію. За допомогою інтерферометра Quantum Galileo вони порівняли дві когерентні траєкторії атомної хвилі: одну, майже нерухому завдяки магнітному полю, та іншу, яку спершу запускали вгору, а потім давали їй вільно падати. Після зведення траєкторій інтерференційний сигнал узгодився з фазою, очікуваною з принципу еквівалентності Ейнштейна за умов цього експерименту. 24

Що саме виміряли вчені

У квантовій механіці частинки описують хвилями. Під час еволюції хвиля накопичує фазу — величину, яку зазвичай неможливо побачити окремо. Проте якщо дві когерентні хвилі знову поєднати, їхня відносна фаза змінює картину інтерференції.

У цьому досліді мікрохвильові імпульси створили суперпозицію двох квантових «історій» атома поблизу атомного чипа. Для однієї гілки магнітне поле компенсувало силу тяжіння, тоді як друга рухалася балістично: її запускали вгору, після чого вона падала. Коли гілки з’єднали, різниця їхніх гравітаційних фаз перетворилася на вимірюваний інтерференційний сигнал. 24

Головний висновок такий: виміряний фазовий зсув у межах експериментальної точності відповідав передбаченню, що випливає з принципу еквівалентності. Це принцип теорії Ейнштейна, який локально пов’язує вільне падіння та гравітацію. 24

Чому це важливий тест

Ідеться не просто про вимірювання класичної траєкторії падіння. Гравітацію перевіряли в інтерферометрі, де об’єктом є когерентна квантова хвиля матерії, що одночасно проходить двома альтернативними шляхами.

Отже, для ультрахолодних атомів рубідію у слабкому гравітаційному полі Землі спостережувана квантова еволюція виявилася сумісною з передбаченням принципу еквівалентності. 24 Це є експериментальним містком між квантовою механікою, яка описує суперпозицію та інтерференцію атома, і гравітацією, що формує різницю фаз між траєкторіями.

Чого результат не доводить

Не варто тлумачити це відкриття як об’єднання квантової механіки й загальної теорії відносності. Експеримент не показує, що гравітація квантується, не виявляє гравітонів і не дозволяє остаточно відрізнити фундаментально квантову теорію гравітації від класичної. 23

Більш прямою перевіркою квантової природи гравітації був би доказ того, що гравітація здатна породжувати заплутаність між достатньо ізольованими масивними об’єктами. Один із запропонованих підходів передбачає просторові суперпозиції кристалів мікронного масштабу — потенційно нанодіамантів із вбудованими спіновими системами — і подальшу перевірку, чи створює їхня взаємна гравітація заплутаність. 34

Де тут гіпотеза Роджера Пенроуза

Роджер Пенроуз запропонував іншу можливість: досить масивний об’єкт у просторовій суперпозиції може відповідати альтернативним геометріям простору-часу, які не здатні нескінченно довго зберігати когерентність. У споріднених моделях Діоші—Пенроуза очікуваний час такого розпаду пов’язують із різницею гравітаційної власної енергії між суперпозованими розподілами маси. 36

Це гіпотеза про можливу межу застосовності стандартної квантової механіки, а не висновок із досліду з рубідієм. Один атом не є великим і просторово розділеним об’єктом, на якому такі моделі найлегше перевіряти.

Чому наступний рубіж — важчі квантові об’єкти

Перевірки моделей колапсу потребують просторових суперпозицій об’єктів, набагато важчих за окремі атоми, а також пошуку втрати когерентності, яку не можна пояснити звичайним впливом середовища. Огляди експериментів із моделями колапсу називають масивні просторові суперпозиції найпрямішою стратегією: такі моделі можуть забороняти стани, які стандартна квантова теорія дозволяє. 33

Майбутні інтерферометри з мезоскопічними частинками — наприклад, левітованими нанодіамантами чи іншими малими кристалами — мають одночасно підтримувати когерентність і суворо контролювати звичайну декогеренцію від довкілля. Якщо інтерференція зберігатиметься довше, ніж передбачає певна модель розпаду, це обмежить таку модель. Якщо ж з’явиться відтворювана додаткова втрата когерентності із залежністю від маси, відстані між гілками суперпозиції та часу, це буде вагомим сигналом для подальшої перевірки — хоча спершу доведеться виключити експериментальний шум і негравітаційні пояснення. 333436

Наразі результат Quantum Galileo Interferometer найточніше сформулювати так: у перевіреному режимі квантова хвиля матерії у вільному падінні накопичила гравітаційну фазу, передбачену принципом еквівалентності Ейнштейна. 24