Физики впервые наблюдали действие гравитации Эйнштейна на квантовый объект
Международная группа физиков впервые непосредственно измерила квантовую фазу свободно падающего объекта и показала, что в исследованных условиях её изменение соответствует принципу эквивалентности Эйнштейна. Этот принцип лежит в основе общей теории относительности и утверждает, что свободно падающий наблюдатель локально не ощущает действия гравитации. Среди авторов работы — специалисты Университета Бен-Гуриона в Негеве, Ульмского и Оксфордского университетов, а также нобелевский лауреат Роджер Пенроуз.
Для проверки исследователи создали установку Quantum Galileo Interferometer — «квантовый интерферометр Галилея». Эксперимент проводили с атомами рубидия, охлаждёнными почти до абсолютного нуля и помещёнными в вакуумную камеру рядом со специальным атомным чипом.
С помощью микроволновых импульсов атомы переводили в состояние квантовой суперпозиции, разделяя их волновую функцию на две части. Одну из них с помощью контролируемого магнитного поля удерживали практически неподвижной относительно лаборатории, компенсируя земное притяжение. Вторую сначала направляли вверх, а затем позволяли ей свободно двигаться под действием гравитации по баллистической траектории.
После этого обе части атомной волны снова соединяли. Возникавшая квантовая интерференция позволяла измерить разность фаз, накопившуюся между свободно падавшим и удерживаемым волновыми пакетами. Полученный результат совпал с теоретическим предсказанием, следующим из применения принципа эквивалентности Эйнштейна к квантовой волне.
По словам исследователей, им впервые удалось непосредственно зарегистрировать предсказанную квантовую фазу свободного падения. Ранее атомная интерферометрия уже применялась для высокоточных измерений гравитации, однако новая схема позволила сравнить фазу свободно падающего квантового объекта с фазой объекта, удерживаемого относительно лаборатории.
Результат не означает, что физики создали теорию квантовой гравитации или доказали квантовую природу самого гравитационного поля. Эксперимент показывает более конкретно, что в достигнутом режиме принцип эквивалентности Эйнштейна остаётся совместимым с квантово-механическим описанием материи.
Работа также не позволяет проверить гипотезу Роджера Пенроуза о возможном нарушении обычной квантовой механики для достаточно массивных объектов в пространственной суперпозиции. Использованные атомы слишком малы, а продолжительность эксперимента недостаточна для проверки такого сценария.
В дальнейшем исследователи планируют проводить подобные эксперименты с более массивными квантовыми системами. В частности, группа Университета Бен-Гуриона разрабатывает установку для работы с нанодимазами. Более тяжёлые объекты в квантовой суперпозиции могут позволить проверить режимы, в которых различные представления о связи квантовой механики и гравитации начинают давать различающиеся предсказания.
Исследование в журнале Science Advances.