Необычный эксперимент показал, что квантовые объекты подчиняются гравитации

Фото из открытых источников

Квантовая механика и общая теория относительности Эйнштейна объясняют, как устроена Вселенная на самых малых и самых больших масштабах, соответственно.

Квантовая механика выявила вероятностную природу фундаментальных частиц, а общая теория относительности Эйнштейна описывает, как ткань пространства-времени искажается под воздействием массы и энергии, создавая гравитацию. В результате появились полупроводники и GPS.

Однако объединение этих невероятно успешных, но разрозненных теорий в единую «Теорию всего» может стать величайшей задачей современной физики (подобно объединению масла и уксуса в вкусную заправку с использованием горчицы).

Теперь физики представили первые прямые экспериментальные доказательства того, что квантовая область подвержена влиянию одного из краеугольных камней теории гравитации, называемого принципом эквивалентности. Результаты исследования были опубликованы в журнале Science Advances.

«Эта работа уникальна тем, что сочетает в себе жесткий 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?» — говорит ведущий автор исследования Рон Фольман, физик-квантолог из Университета Бен-Гуриона в Негеве, Израиль. «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».

Принцип эквивалентности гласит, что при свободном падении гравитация должна казаться исчезнувшей. Таким образом, человек, находящийся в свободном падении в лифте, будет испытывать невесомость — принцип, на который НАСА опирается при подготовке астронавтов на борту своего имитирующего микрогравитацию, пикирующего «рвотного комета».

Хотя этот принцип подтвердился в случае макроскопических объектов, включая некоторых невольных кошек-космонавтов, оставалось неясным, как отреагируют квантовые объекты, учитывая их врожденную склонность действовать как волны и, следовательно, распространяться по нескольким путям, а не только «вниз».

Для этого первого в своем роде открытия потребовалось первое в своем роде экспериментальное оборудование. Исследователи разработали новую версию устройства, называемого интерферометром, которые широко используются в различных науках для измерения того, как волны интерферируют друг с другом — или как перекрываются их пики и впадины.

Они называют свой прибор квантовым интерферометром Галилео (QGI).

В установке QGI используется атомный чип для генерации магнитного поля, что позволяет исследователям удерживать и манипулировать охлажденным облаком, состоящим примерно из 20 000 атомов рубидия.

Охладив атомы почти до абсолютного нуля (-273,15 градуса Цельсия), исследователи превратили атомы в бозе-эйнштейновский конденсат (БЭК) — необычный тип материи, в котором атомы перестают вести себя как отдельные атомы и начинают действовать как единая частица.  

Технология QGI позволила исследователям сделать нечто новое, манипулируя квантово-атомной особенностью.

В квантовой области атомы и другие частицы распространяются подобно волнам, в виде «волновых пакетов».

С помощью QGI исследователи разделили волновой пакет, связанный с БЭК, так что он мог двигаться по двум путям. На одном пути волновой пакет оставался «в состоянии покоя в ньютоновской системе отсчета», подвергаясь воздействию магнитной левитирующей силы, прямо противоположной силе тяжести, которая удерживала его неподвижно относительно лаборатории и Земли.

В противоположном направлении волновой пакет находился в свободном падении, или « в состоянии покоя в свободно падающей эйнштейновской системе отсчета ». Это означает, что исследователи использовали магнитный импульс для запуска этого волнового пакета вверх, а затем позволили ему свободно падать под действием гравитации по баллистической траектории, подобно квантовой комете-рвоте. 

Затем исследователи использовали идентичный магнитный импульс, чтобы устранить разницу в скорости между двумя волновыми пакетами, позволив им перекрываться или интерферировать, и, следовательно, показать любые результирующие изменения между их двумя фазами или выравнивание их пиков и впадин. 

Это привело к желаемому результату: сдвиг совпал с предсказаниями, продемонстрировав, что принцип эквивалентности остается в силе в квантовой области.  

Однако исследователи подчеркивают, что этот результат не представляет собой искомое объединение квантовой механики и гравитации, а также не является доказательством того, что гравитация является квантовой. 

Однако эта работа открывает путь для дальнейших исследований.

Например, возможности QGI по работе с большими массами могут привести к проверке только что упомянутой смелой гипотезы: что гравитация может действовать как кванты.

Вместо того чтобы представлять собой гладкое, непрерывное поле или кривую в ткани, гравитация может быть распределена в дискретных пакетах энергии, называемых гравитонами, — подобно тому, как частицы электромагнитной энергии (света) распространяются в квантах, называемых фотонами.  

Как заключает Влатко Ведрал, профессор квантовой информационной науки Оксфордского университета и один из соавторов исследования: «Этот эксперимент выводит квантовую механику на один из самых интригующих рубежей — гравитацию — и еще раз доказывает, что ее предсказания подтверждаются».