Zaobserwowali grawitację Einsteina w świecie kwantów
Spadający atom przyspiesza pod wpływem grawitacji. Mechanika kwantowa dodaje do tego obrazu zmianę fazy fali materii. Międzynarodowy zespół naukowy po raz pierwszy zmierzył tę zmianę względem fali nieruchomej. Wynik okazał się zgodny z przewidywaniami wynikającymi z zastosowania zasady równoważności Einsteina do obiektu kwantowego.
Międzynarodowy zespół naukowy z Izraela, Austrii, Niemiec, USA i Wielkiej Brytanii, wśród których znajdowali się Roger Penrose, Or Dobkowski czy Ron Folman przeprowadził eksperyment dotyczący jednego z najważniejszych problemów współczesnej fizyki: związków pomiędzy mechaniką kwantową a ogólną teorią względności. Obie teorie świetnie opisują otaczający nas świat w swoich dziedzinach, ale wciąż brakuje ich pełnego, wspólnego ujęcia.
U podstaw opisu grawitacji Einsteina leży zasada równoważności. Pasażer w swobodnie spadającej windzie doświadczyłby nieważkości, on i otaczające go przedmioty spadaliby razem. To pokazuje, że lokalnie, wybierając odpowiedni układ odniesienia, można wyeliminować skutki grawitacji. Jak jednak zastosować tę zasadę do atomu, którego zachowanie opisuje fala i który może znajdować się w superpozycji?
Na potrzeby badań naukowcy zbudowali urządzenie nazwane kwantowym interferometrem Galileusza. Wykorzystali około 20 000 atomów rubidu schłodzonych do temperatury bliskiej zeru absolutnemu. Umieścili je w precyzyjnie kontrolowanym polu magnetycznym na specjalnym chipie.
Za pomocą mikrofal stworzono superpozycję atomów, dzięki czemu każdy z nich jednocześnie mógł przemieszczać się dwiema drogami. Pozwoliło to na rozdzielenie związanej z nim fali i odmienne sterowanie za pomocą pól magnetycznych. Jedną z fal utrzymywano na stałej wysokości, pole magnetyczne równoważyło ciężar atomu. Drugą zaś podrzucano, a następnie przełączano w stan niemal niewrażliwy na pole magnetyczne. Zachowywała się więc jak piłka rzucona w górę – najpierw unosiła się, a następnie swobodnie spadała.
W końcu obie części ponownie połączono. Pojawiła się wówczas interferencja, a jej wynik pozwalał odczytać różnicę faz nagromadzoną podczas przebywania na obu drogach. W pomiarach pojawiła się przewidywana zależność od trzeciej potęgi czasu swobodnego spadku.
Grawitację już wcześniej badano za pomocą interferencji cząstek. Tutaj nowość polega na bezpośrednim porównaniu swobodnie spadającej fali materii z jej nieruchomym względem Ziemi odpowiednikiem. Eksperyment pokazał, że w badanym zakresie zasada Einsteina pozostaje zgodna z mechaniką kwantową.
Naukowcy już planują kolejne eksperymenty, podczas których chcą wykorzystać cięższe obiekty, w tym nanodiamenty. W ten sposób spróbują sprawdzić hipotezę Penrose'a, zgodnie z którą grawitacja prowadzi do zaniku superpozycji przy odpowiednio dużych masach i długich czasach.
Artykuł Observation of the quantum phase of free fall and the consistency with the equivalence principle został opublikowany na łamach Science.
Komentarze (0)