Физики впервые измерили, как гравитация влияет на падающий квантовый объект

Международная команда ученых из университетов Бен-Гуриона, Ульма и Оксфорда, в которую входит нобелевский лауреат Роджер Пенроуз, впервые напрямую измерила квантовый эффект гравитации на падающий атом. Результаты показали, что принцип эквивалентности Эйнштейна работает и для квантовых объектов. Исследование опубликовано в журнале Science Advances.

Физики уже больше ста лет успешно пользуются двумя главными теориями, которые описывают устройство мира. Квантовая механика объясняет, как ведут себя атомы и другие мельчайшие частицы, а теория тяготения Эйнштейна рассказывает о падении тел, движении планет и устройстве Вселенной в целом. Проблема в том, что эти две теории живут каждая своей жизнью, и ученые до сих пор не знают, как их соединить в единую картину. Новый эксперимент стал важным шагом к тому, чтобы понять, где и как они соприкасаются.

Исследователи придумали остроумный способ заставить один и тот же атом одновременно падать и оставаться на месте. Для этого они использовали сверххолодные облака рубидия, охлажденные почти до абсолютного нуля, и специальный чип с магнитными полями. С помощью микроволновых импульсов атом перевели в состояние квантовой суперпозиции, то есть он словно разделился на две версии себя. Одну «половинку» удерживали неподвижно относительно Земли, а другую подбрасывали вверх, после чего она свободно падала под действием гравитации, как брошенный мяч.

Когда обе части атомной волны снова соединили, они интерферировали друг с другом, как волны на воде. По этой интерференции ученые измерили крошечную разницу в так называемой квантовой фазе, которая накопилась у падающей части по сравнению с неподвижной. Оказалось, что эта разница точно совпадает с предсказаниями, которые следуют из принципа эквивалентности Эйнштейна, если применить его к квантовому объекту. Этот принцип гласит, что в свободном падении гравитация локально исчезает, как в падающем лифте, где человек чувствует невесомость.

Раньше подобные проверки проводили только для обычных, крупных тел, но для квантовых частиц, которые ведут себя как волны и могут распространяться по нескольким путям одновременно, это сделали впервые. Авторы подчеркивают, что их установка это первый прибор, позволяющий напрямую измерить именно ту фазу, которую предсказывает теория для свободно падающего квантового объекта. Они назвали его квантовым интерферометром Галилео, потому что он напоминает знаменитые опыты с падением тел, только на атомном уровне.

«Наша работа уникальна тем, что сочетает в себе сложный эксперимент с далеко идущей теоретической интерпретацией одного из самых фундаментальных вопросов физики: как можно объединить гравитацию (описываемую теорией относительности Эйнштейна) и квантовую теорию в единое понимание Вселенной? Эти два столпа современной физики до сих пор ускользали от всех попыток создания единой теоретической основы, но этот сложный эксперимент дает дополнительные подсказки о том, как такое объединение может быть достигнуто» — ведущий автор, профессор Рон Фольман.

Важно понимать, что этот эксперимент не объединяет квантовую механику и гравитацию в одну теорию и не доказывает, что сама гравитация имеет квантовую природу. Он лишь показывает, что в изученных условиях принцип эквивалентности Эйнштейна прекрасно работает и для микромира. Более того, результат не опровергает гипотезу Пенроуза о том, что для очень массивных объектов, долго находящихся в суперпозиции, квантовая механика может давать сбой, просто в этом опыте масса и время были слишком малы, чтобы проверить такие идеи.

Тем не менее ученые надеются, что их методика позволит в будущем проводить похожие эксперименты с более тяжелыми частицами, вплоть до наноалмазов. Это откроет путь к проверке самых смелых теорий о том, где заканчивается квантовый мир и начинается мир классической гравитации. Уже сейчас та же группа в университете Бен-Гуриона работает над подобными опытами.

В итоге исследование дает убедительное доказательство того, что один из краеугольных камней физики Эйнштейна выдерживает проверку даже на самом причудливом уровне реальности — уровне квантовых объектов, которые могут одновременно падать и стоять на месте. Это не революция, но важный ориентир для будущих поисков единой теории, над которой физики бьются уже не одно десятилетие.

Присоединяйтесь к нам в соцсетях