Учените от Университета в Улм, Оксфордския университет и Университета „Бен-Гурион“ в Негев обединиха усилия, за да проведат експерименти, които за първи път доказаха, че падащ квантов обект усеща въздействието на гравитацията – нещо, което Алберт Айнщайн предсказа преди много време.

Светът на физиката е доста разделен. Когато става въпрос за макроскопични явления, като например как се движат обектите или как се предава топлината, се използва класическата физика. Когато обаче се стигне до микроскопични нива, като например как се образуват химичните връзки или защо атомите абсорбират или излъчват определени дължини на вълните, на помощ идва квантовата физика.

Макар и двата подхода да работят за съответните си цели, науката винаги търси закон, който да обясни всичко. За да може един закон да обясни нещо, световете на квантовата и класическата физика трябва да се срещнат. Великият физик Алберт Айнщайн беше предсказал в своята теория за гравитацията принцип на еквивалентността, за който учените се чудеха дали се отнася и за квантовите обекти.

Квантов експеримент

Принципът на еквивалентността на Айнщайн гласи, че за наблюдател в свободно падане гравитацията трябва да изчезне локално. Това може да се усети, ако асансьор или самолет падат свободно и пътниците изпитват безтегловност. За да проверят дали това важи и за квантовите обекти, учените трябваше да проведат същия експеримент върху квантов обект.

Тъй като тези обекти могат да се държат като вълни и да се движат по повече от една траектория, учените използваха специално устройство, наречено „квантов интерферометър“, което може да раздели квантовата вълна, свързана с един атом на две траектории. Устройството обаче може да прави много повече от това. То може дори да задържи едната от вълните в свободно падане, докато другата остава на място и по-късно да ги обедини, за да се провери дали гравитацията е оказала влияние върху тях.

Професорът от Оксфордския университет Сър Роджър Пенроуз по-рано заяви, че квантовата механика може да се провали при масивни обекти, държани в квантова суперпозиция за много дълго време. Пенроуз също участва в това изследване, проведено в Университета „Бен-Гурион“, където за провеждането на квантовия експеримент бяха използвани облаци от атоми на рубидий върху специално проектиран атомен чип.

Как беше проведен експериментът?

В експеримента изследователите първо използваха микровълнови импулси, за да поставят ултрастудени атоми на рубидий в квантова суперпозиция, което им позволи да се движат по две различни траектории едновременно. С помощта на миниатюрни електрически проводници върху чипа изследователите създадоха миниатюрни магнитни полета, които генерираха миниатюрна сила, насочена нагоре, способна да противодейства на силата на гравитацията.

Това позволи на изследователите да задържат атомната вълна неподвижна спрямо лабораторията и Земята. Другата част беше изтласкана нагоре с помощта на магнитен импулс, след което беше преведена в състояние без магнитно поле, за да се симулира свободно падане под действието на гравитацията.

С помощта на още един магнитен импулс изследователите успяха да съберат двете части на вълната, където те влязоха в интерференция една с друга. Използвайки интерферометъра, изследователите успяха да измерят минималната разлика в квантовата фаза между двете части. В крайна сметка беше установено, че тази разлика във фазите е същата като предсказаната от Айнщайн. Макар че в подобни експерименти са използвани квантови обекти за измерване на гравитацията, това е първото директно измерване на предсказаната квантова фаза на свободно падащ обект.

Експериментът не обединява квантовата и класическата физика – той само показва, че принципът на еквивалентността на Айнщайн важи дори за квантови обекти.

„Нямаме последователна теория, която да ни обясни защо квантовата физика би трябвало да се провали. Този експеримент извежда квантовата механика в една от най-интригуващите ѝ области – гравитацията, и показва, че, за пореден път нейните предсказания се потвърждават.“

обясни Влатко Ведрал, професор по физика в Оксфордския университет, в прессъобщение

Експериментът не показва, че аргументът на Пенроуз за обекти с по-големи размери е неправилен. Напротив, той проправя пътя за бъдещи експерименти с масивни обекти.