Fizičari su prvi put izmerili kvantnu fazu koju atomski talas akumulira pri slobodnom padu, potvrdivši Ajnštajnov princip ekvivalencije u kvantnom domenu. Eksperiment je koristio Bose–Einsteinov kondenzat od ~20.000 atoma rubidijuma i kvantni Galilejev interferometar, pri čemu je faza rasla kao T3. Merenja su izvedena do ~2,4 ms kroz 633 ponavljanja (5,3 h) i 13 oscilacija, pokazujući slaganje sa teorijom u okviru ~2,5%.
Nema sukoba između kvantne mehanike i gravitacije — 20.000 atoma potvrdilo Ajnštajnovu „najsrećniju misao“
A cloud of 20,000 atoms, chilled into an exotic fifth state of matter and accelerated on two simultaneous paths, have finally proven a 100-year-old prediction of Einstein's relativity. | Credit: marian via Getty Images
Po prvi put, fizičari su direktno izmerili sitnu kvantnu promenu faze koju atomski talas akumulira dok pada kroz Zemljinu gravitaciju — efekat koji je Ajnštajn predvideo pre skoro sto godina, a koji do sada nije bio eksperimentalno registrovan.
Šta su istraživači uradili
Tim predvođen Ronom Folmanom (Ben‑Gurion University of the Negev) ohladio je oko 20.000 atoma rubidijuma u Bose–Einsteinov kondenzat, zatim ih ispustio i pokrenuo interferometar smešten oko 113 µm ispod "atomskog čipa" sa zlatnim žicama debljine 2 µm.
Radio‑i mikrotalasni impulsi postavili su svaki atom u superpoziciju dva magnetska stanja. Jedna polovina dobijala je magnetni "udarac" i potom je oslobođena da se kreće pod dejstvom gravitacije, dok je druga polovina bila pod uticajem polja koje je tačno poništavalo gravitaciju, držeći je u mestu. Ovako su ostvarena dva stvarno različita stanja — jedan krak u slobodnom padu, drugi praktčno u mirovanju — koja su kasnije ponovo spojena radi detekcije interferencije.
This apparatus, called 2D MOT, feeds the science chamber with cold atoms. | Credit: Or Dobkowski
Ključni rezultati
Istraživači su pratili interferencioni signal pri vremenu slobodnog pada do oko 2,4 ms. U 633 ponavljanja sprovedena tokom 5,3 sata zabeležili su 13 potpunih oscilacija faze. Rastuća faza pratila je zavisnost T3 (kocka vremena pada), što je predviđeno još 1927. godine, a eksperimentalni rezultat se poklopio sa teorijom u okviru ~2,5%.
„Princip kaže da se lokalno ne mogu razlikovati ubrzanje i gravitacija,“ rekao je Vlatko Vedral, koautor rada. „Rezultat pokazuje da, na ovom nivou tačnosti, nema sukoba između kvantne fizike i gravitacije.“
Tehnički izazovi i ograničenja
Najteži deo eksperimenta bio je ponovno spajanje polovina atoma koje su imale različite brzine — problem poznat kao Humpty‑Dumpty efekat. Interferencioni kontrast je padao sa oko 80% za kratke eksperimente na ~20% za najduže, što praktično ograničava maksimalno vreme izvođenja. Autori takođe naglašavaju da ovo merenje ne isključuje sve teorije koje predviđaju kršenje principa ekvivalencije, jer neke od njih daju istu fazu kao rezultat.
Šta sledeće?
Tim planira da testira princip ekvivalencije u opštijim uslovima — npr. u rotirajućem okviru — i da pokuša eksperimente u kojima bi se dve superponovane sisteme gravitaciono međusobno uticale. Širenje tehnike na znatno teža tela (npr. nanodijamante) otvorilo bi put ispitivanju da li gravitacija sama po sebi prati kvantne principe, što je povezano sa hipotezama poput one koje je izneo Roger Penrose.
Zaključak: Ovo precizno merenje demonstrira slaganje opšte relativnosti i kvantne mehanike u novom, kvantnom režimu i predstavlja važan korak u eksperimentalnoj kvantnoj gravitaciji.
Pomozite nam da budemo bolji.
