Предсказанный ранее гравитационный эффект впервые обнаружен в квантовом объекте

Фото из открытых источников

Международная группа исследователей продемонстрировала, что принцип эквивалентности, краеугольный камень теории общей относительности Эйнштейна, выполняется даже в квантовом мире. Это очень важный результат. Статья с описанием результатов была опубликована в журнале Science Advances.

Квантовая механика и общая теория относительности являются основами современной физики. Первая объясняет поведение атомов и мельчайших объектов, а вторая объясняет, как падают объекты и как гравитация формирует Вселенную.

Вместе они позволяют нам объяснить многое во Вселенной. Их многократно проверяли, и все же, объединение их для изучения определенных объектов и явлений — таких как черные дыры — приводит к бессмысленным выводам.

Физики считают, что существует ещё одна теория, которая может объединить эти две в одну. Мы её ещё не нашли, но каждая крупица информации может приблизить нас на шаг к цели.

Эта последняя работа продолжает эту традицию, даже если она подтвердила, что теория Эйнштейна снова верна. Все сводится к слабому принципу эквивалентности, также известному как принцип свободного падения. 

Это утверждение гласит, что в гравитационном поле два объекта, изготовленные из разных материалов и имеющие разную массу, падают на землю с одинаковым ускорением, если на них не действуют никакие другие силы. 

Этот принцип восходит к временам Галилео, который продемонстрировал его, сбросив с Пизанской башни пушечные ядра разной массы, которые затем одновременно упали на пол. Совсем недавно командир «Аполлона-15» Дэвид Скотт продемонстрировал это на Луне, сбросив перо и молоток и зафиксировав их одновременное приземление на поверхность.

В квантовом мире схема была несколько иной. Исследователи охладили атомы рубидия почти до абсолютного нуля, а затем поместили их в состояние суперпозиции, которое позволило им двигаться одновременно по двум разным траекториям. Движение атомов можно интерпретировать как движение в квантовых волнах.

Одна часть атомной волны удерживалась в неподвижном состоянии с помощью магнитного поля, в то время как другая часть сначала подвергалась воздействию другого магнитного импульса, а затем ей позволяли падать под действием силы тяжести. 

В конце свободного падения эта часть атомной волны возвращалась в положение неподвижной части, после чего волны интерферировали друг с другом. 

Эта интерференция позволила исследователям сравнить крошечные различия в квантовой фазе, накапливающиеся, когда одна часть находилась в свободном падении, а другая оставалась неподвижной. Это измерение соответствовало предсказанию принципа эквивалентности Эйнштейна применительно к квантовой волне, что позволило получить представление о пространстве, где общая теория относительности встречается с квантовой механикой.

«У нас нет последовательной теории, объясняющей, почему квантовая физика должна потерпеть неудачу», — заявил профессор Влатко Ведрал с физического факультета Оксфордского университета. «Этот эксперимент выводит квантовую механику на один из самых интригующих рубежей — гравитацию — и еще раз показывает, что ее предсказания подтверждаются».

Итак, в чем же начинаются разногласия между квантовой механикой и теорией относительности? Один из соавторов исследования, профессор сэр Роджер Пенроуз, утверждал, что более крупные объекты, находящиеся в очень длительных состояниях суперпозиции, могут выявить недостатки наших теорий.

В настоящее время проводятся эксперименты по воспроизведению этого эксперимента с наноалмазами.