Международная группа ученых, в которую входит нобелевский лауреат Роджер Пенроуз, впервые напрямую зафиксировала гравитационный эффект, который действует на квантовый объект в свободном падении. Результаты эксперимента подтверждают, что один из центральных принципов теории гравитации Эйнштейна согласуется с квантовой механикой. Исследование, которое возглавляли специалисты из Университета Бен-Гуриона, Ульмского и Оксфордского университетов, опубликовано в журнале Science Advances.
Современная физика основана на двух теориях: квантовая механика описывает поведение атомов и других микроскопических объектов, а общая теория относительности Эйнштейна объясняет гравитацию и устройство Вселенной в больших масштабах. Создать единую теорию, которая бы их объединила, пока не удалось. Новый эксперимент исследует область, где эти две концепции пересекаются.
Ученые проверили принцип эквивалентности Эйнштейна. Согласно ему, наблюдатель в состоянии свободного падения не ощущает гравитации. Этот принцип многократно подтвердили для обычных, макроскопических тел, но напрямую проверить его на квантовых объектах было сложно. Основная трудность в том, что квантовые частицы могут вести себя как волны и одновременно находиться в нескольких местах.
Для эксперимента команда создала прибор «Квантовый интерферометр Галилея». Ученые использовали облака атомов рубидия, охлажденные почти до абсолютного нуля. С помощью микроволновых импульсов и магнитных полей, которые генерировал специальный атомный чип, каждый атом переводили в состояние квантовой суперпозиции. Это позволило его квантовой волне разделиться и двигаться по двум разным траекториям одновременно.
Одну часть волны удерживали на месте с помощью магнитного поля, которое компенсировало земное притяжение. Вторую часть подталкивали вверх контролируемым импульсом, после чего она свободно падала по баллистической траектории, почти не взаимодействуя с магнитным полем. Затем обе части волны снова сводили вместе. Интерференция между ними позволила измерить крайне малую разницу в квантовой фазе, которая накопилась у падающей части по сравнению с неподвижной.
Измеренный фазовый сдвиг совпал с прогнозом, который следует из применения принципа эквивалентности Эйнштейна к квантовому объекту. Таким образом, эксперимент напрямую связывает квантовую физику с эйнштейновским описанием гравитации. Ученые подчеркивают: хотя квантовые частицы и раньше использовали для измерения гравитации, это первый случай, когда предсказанный фазовый сдвиг у свободно падающего объекта удалось зафиксировать напрямую.
Авторы отмечают, что их работа не создает единую теорию квантовой гравитации и не доказывает, что сама гравитация имеет квантовую природу. Результаты лишь показывают, что принцип эквивалентности совместим с квантовой механикой в проверенных условиях. Эксперимент также не опровергает гипотезу сэра Роджера Пенроуза о том, что квантовая механика может нарушаться для достаточно массивных объектов. В дальнейшем группа планирует повторить опыт с более тяжелыми частицами, например наноалмазами, чтобы проверить и эту идею.
