Ученые впервые наблюдали гравитацию Эйнштейна в квантовом мире

Ученые впервые наблюдали гравитационное воздействие на квантовый объект, предсказанное Эйнштейном. Это открывает новое экспериментальное окно в одну из самых больших загадок физики.

Международная команда, в которую входит нобелевский лауреат профессор сэр Роджер Пенроуз, впервые напрямую наблюдала давно предсказанный гравитационный эффект в падающем квантовом объекте. Результаты показывают, что центральный принцип теории гравитации Эйнштейна продолжает согласовываться с квантовым поведением в протестированных условиях. Исследование, проведенное под руководством Университета Бен-Гуриона, Университета Ульма и Оксфордского университета, было опубликовано 2 сентября в журнале Science Advances.

Современная физика опирается на две невероятно успешные концепции. Квантовая механика описывает необычное поведение атомов и других чрезвычайно малых объектов, в то время как теория гравитации Эйнштейна объясняет падение тел и крупномасштабную структуру Вселенной. Несмотря на их индивидуальный успех, физики до сих пор не имеют полной теории, объединяющей их.

Новый эксперимент исследует область, где эти два описания пересекаются. Исследователи измерили специфическое изменение квантовых свойств атомов, когда они двигались под действием гравитации. Эффект совпал с предсказанием, которое следует из принципа эквивалентности Эйнштейна, одной из основ его теории гравитации, распространенного на квантовый объект.

Проверка принципа эквивалентности Эйнштейна

Принцип эквивалентности гласит, что гравитация должна локально исчезать для наблюдателя, находящегося в свободном падении. Например, человек, свободно падающий в лифте, испытывал бы невесомость. Этот принцип был подтвержден с extraordinной точностью с использованием обычной материи, но его прямая проверка с квантовыми объектами была гораздо сложнее, поскольку квантовые объекты могут вести себя как волны и фактически следовать более чем по одному пути одновременно.

Чтобы сделать такой тест возможным, команда создала прибор под названием «Квантовый интерферометр Галилея». Устройство позволило исследователям разделить квантовую волну, связанную с атомом, на два отдельных пути. Одна часть могла удерживаться на месте, в то время как другой позволяли свободно падать. Затем их сводили вместе, чтобы исследователи могли определить, как гравитация повлияла на падающую волну.

Эксперимент был проведен в Университете Бен-Гуриона с использованием облаков атомов рубидия, охлажденных до температур чуть выше абсолютного нуля. Атомы управлялись вблизи поверхности специально разработанного атомного чипа.

Разделение атома на два квантовых пути

Экспериментальная группа, включая аспиранта Ор Добковски, начала с использования микроволновых импульсов для помещения сверххолодных атомов в квантовую суперпозицию. Это фактически позволяло каждому атому следовать по двум путям одновременно.

Крошечные электрические провода, встроенные в чип, затем генерировали тщательно контролируемые магнитные поля. Одна часть атомной волны взаимодействовала с магнитным полем, что позволяло исследователям создавать направленную вверх силу, точно уравновешивающую направленное вниз притяжение гравитации. В результате эта часть волны оставалась неподвижной относительно лаборатории и Земли.

Другая часть была вытолкнута вверх с помощью точно контролируемого магнитного импульса. Затем она переводилась в состояние, почти не подверженное воздействию магнитного поля, что позволяло ей свободно двигаться под действием гравитации по баллистической траектории, подобно мячу, подброшенному в воздух.

После завершения падения другой тщательно контролируемый магнитный импульс сводил две части атомной волны вместе. Воссоединенные волны интерферировали друг с другом, давая исследователям способ измерить чрезвычайно малую разницу в квантовой фазе, которая накопилась, пока одна часть падала, а другая оставалась неподвижной.

Гравитация оставляет измеримую квантовую сигнатуру

Измеренная исследователями квантовая фаза совпала с фазой, предсказанной при применении принципа Эйнштейна к этому типу квантовой волны. Таким образом, эксперимент обеспечивает прямую лабораторную связь между квантовой физикой и описанием гравитации по Эйнштейну.

Квантовые частицы использовались в более ранних экспериментах для измерения гравитации, но исследователи утверждают, что это первое прямое измерение предсказанной квантовой фазы, создаваемой свободно падающим объектом.

Ведущий автор профессор Рон Фолман (Университет Бен-Гуриона) сказал: «Это уникальная статья в том смысле, что она сочетает сложный эксперимент с далеко идущей теоретической интерпретацией одного из самых фундаментальных вопросов физики: как гравитация (описанная теорией относительности Эйнштейна) и квантовая теория могут быть объединены в единое понимание вселенной? Эти две опоры современной физики до сих пор ускользали от всех попыток создания единой теоретической основы, но этот сложный эксперимент дает больше подсказок о том, как может быть достигнуто такое объединение».

Соавтор исследования профессор Влатко Ведрал (физический факультет Оксфордского университета) добавил: «У нас нет последовательной теории, объясняющей, почему квантовая физика должна потерпеть неудачу. Этот эксперимент продвигает квантовую механику на один из ее самых интригующих рубежей — гравитацию — и показывает, что ее предсказания снова подтверждаются».

Что эксперимент показывает, а что нет

Результат не дает единой теории квантовой механики и гравитации и не демонстрирует, что сама гравитация является квантовой. Вместо этого он показывает, что принцип эквивалентности Эйнштейна остается совместимым с квантовой механикой в пределах, исследованных экспериментом.

Результаты также не опровергают идею, предложенную соавтором исследования профессором сэром Роджером Пенроузом (Оксфордский университет). Пенроуз утверждал, что квантовая механика может в конечном итоге разрушиться, когда достаточно массивные объекты остаются в квантовых суперпозициях в течение достаточно длительных периодов.

Текущий эксперимент не включал объекты достаточно массивные или суперпозиции, длящиеся достаточно долго, чтобы проверить эту возможность. Однако исследователи надеются, что новая техника в конечном итоге может быть распространена на гораздо более тяжелые объекты, включая наноалмазы. Эксперименты, предназначенные для изучения этой возможности, уже ведутся в той же группе в Университете Бен-Гуриона.

В международную исследовательскую группу вошли ученые из Университета Бен-Гуриона, Оксфордского университета, Саутгемптонского университета, Немецкого аэрокосмического центра, Института квантовых технологий в Ульме, Университета Ульма и Техасского университета A&M.