Các nhà khoa học quan sát pha lượng tử do trọng lực tạo ra ở nguyên tử rubidi siêu lạnh

Điều nhóm quốc tế do Ron Folman dẫn dắt quan sát được là chênh lệch pha lượng tử do trọng lực gây ra giữa hai quỹ đạo kết hợp của các nguyên tử rubidi siêu lạnh. Một nhánh nguyên tử được từ trường nâng đỡ để gần như đứng yên trước trọng lực; nhánh còn lại được phóng lên, sau đó rơi tự do. Khi hai nhánh được ghép lại, sự lệch pha hiện ra dưới dạng thay đổi của tín hiệu giao thoa. Giá trị đo được phù hợp, trong giới hạn độ chính xác thí nghiệm, với pha mà nguyên lý tương đương của Einstein dự đoán cho các quỹ đạo này. 24

Thí nghiệm vận hành như thế nào? Các xung vi sóng đưa nguyên tử vào chồng chập của hai trạng thái nội tại gắn với hai lịch sử đường đi, thực hiện gần một chip nguyên tử. Từ trường giữ một nhánh chống lại trọng lực, trong khi nhánh kia đi theo quỹ đạo đạn đạo: bay lên rồi rơi xuống. Việc tái hợp hai nhánh biến pha tương đối thành tín hiệu giao thoa có thể đo được. 24

Ý nghĩa của kết quả: Trong chế độ nguyên tử và trọng lực yếu của Trái Đất, tiến hóa lượng tử thông thường cho kết quả khớp với dự đoán từ nguyên lý tương đương. Đây là một phép kiểm tra trực tiếp bằng giao thoa lượng tử đối với pha của chuyển động rơi tự do, chứ không chỉ là kiểm tra quỹ đạo cổ điển. 24

Những điều thí nghiệm chưa chứng minh: Kết quả không hợp nhất cơ học lượng tử với thuyết tương đối rộng; không chứng minh bản thân trọng lực đã được lượng tử hóa; không phát hiện graviton; và cũng không phân định được trọng lực là lượng tử hay cổ điển. Một hướng kiểm tra trực tiếp tính lượng tử của trọng lực sẽ cần bằng chứng rằng trọng lực có thể tạo ra vướng víu lượng tử giữa các khối lượng được cô lập phù hợp. 23

Liên hệ với đề xuất của Roger Penrose: Penrose từng đề xuất một cơ chế sụp đổ hàm sóng liên quan đến trọng lực. Theo ý tưởng này, một vật có khối lượng ở chồng chập không gian sẽ tương ứng với hai cách làm cong không-thời gian khác nhau, khiến trạng thái trở nên không bền. Tính kết hợp của nó sẽ suy giảm theo một thang thời gian liên hệ với chênh lệch tự năng lượng hấp dẫn giữa hai phân bố khối lượng. 9

Vì sao cần vật nặng hơn? Một nguyên tử rubidi đơn lẻ quá nhẹ để kiểm tra mạnh mẽ dự đoán sụp đổ phụ thuộc khối lượng này. Các giao thoa kế tạo được chồng chập không gian lớn và tồn tại lâu ở những hệ nặng hơn — chẳng hạn nanokim cương được nâng không tiếp xúc hoặc các hạt mesoscopic khác — có thể tìm kiếm sự mất giao thoa không giải thích được bằng môi trường, với điều kiện phải loại trừ nghiêm ngặt hiện tượng mất kết hợp thông thường. Nếu độ kết hợp tồn tại lâu hơn mức suy giảm mà các mô hình kiểu Penrose dự đoán, mô hình sẽ bị siết chặt; còn nếu có suy giảm dư lặp lại được, đúng theo quy luật về khối lượng, khoảng cách tách và thời gian, đó sẽ là dấu hiệu ủng hộ mô hình — dù các nguồn nhiễu thay thế vẫn phải được loại trừ. 19