Первое подтверждение принципа эквивалентности Эйнштейна в квантовом мире

Недавние исследования ученых предоставили первые улики того, что формулировка гравитации Альберта Эйнштейна может действовать и в квантовом мире. Эти улики связаны с наблюдениями за падающим квантовым объектом, и хотя на первый взгляд это может показаться незначительным (ведь речь идет о атомах), это может стать важным шагом на пути к теории всего.

Исторический контекст

Чтобы понять значимость этих открытий, необходимо вернуться к началу XX века. Теория относительности Эйнштейна описывает гравитацию на масштабах планет, звезд и черных дыр, демонстрируя, как образуются галактики и скопления галактик. В то же время квантовая механика описывает контринтуитивную физику на масштабах, меньших атомов. Однако между этими двумя важными теориями существует проблема: они не сочетаются друг с другом. На сегодняшний день не существует квантовой теории гравитации, но ученые уверены, что мы приближаемся к ее созданию. Команда исследователей провела эксперимент, чтобы выяснить, как квантовые свойства атомов изменяются под воздействием гравитации.

Принцип эквивалентности

В центре эксперимента находится важный элемент общей теории относительности — принцип эквивалентности. Этот принцип утверждает, что для наблюдателя в свободном падении гравитация должна исчезнуть. Для лучшего понимания можно рассмотреть популярную аналогию: представьте, что вы находитесь в закрытом лифте без возможности видеть окружающую обстановку. Вы чувствуете себя тяжелым, и если вы уроните мяч, он упадет на пол лифта. Почему это происходит? Существует две возможности: вы находитесь на первом этаже, или лифт движется вверх с ускорением, равным силе тяжести Земли — 9,8 метров в секунду в квадрате. Вы не можете отличить гравитацию от ускорения. Теперь представьте, что вы больше не чувствуете вес. Вы уроните мяч, и он начнет плавать. Гравитация исчезла, или же лифт прекратил свое движение вверх. Внутри лифта могут произойти два события, и вы не сможете их различить: либо трос лифта порвался, и вы находитесь в свободном падении, либо лифт поднялся в космос и прекратил движение.

Эксперимент с квантовой механикой

Как же протестировать этот принцип на квантовом уровне, особенно для частиц, которые ведут себя как волны? Для измерения принципа эквивалентности на квантовом уровне исследователи использовали устройство под названием Квантовый интерферометр Галилея. Это позволило им разделить квантовую волну, связанную с движущимся атомом, на два пути. Один путь был зафиксирован, в то время как другой позволял атомам свободно падать. Команда выбрала облако атомов рубидия, которые охладили до температуры чуть выше абсолютного нуля. Эти атомы были помещены близко к поверхности специально разработанной атомной чипа. С помощью микроволновых импульсов ученые поместили атомы в состояние, известное как квантовая суперпозиция. Суперпозиция — это одно из странных явлений квантовой физики, позволяющее квантовой системе одновременно существовать в двух или более противоречивых состояниях. В данном случае суперпозиция позволила каждому атому двигаться по двум различным путям одновременно.

Результаты эксперимента

Магнитные поля, создаваемые атомным чипом, применяли восходящее давление вдоль одного пути, компенсируя притяжение гравитации и удерживая его неподвижным. Другой путь подвергался магнитным импульсам, толкающим атомы вверх. Затем импульсы были отключены, позволяя атомам свободно падать под действием гравитации, как мяч, брошенный в воздух. Когда волны были снова объединены, команда использовала эффект интерференции, который происходит, когда пики и впадины двух несоответствующих волн встречаются, чтобы измерить изменения в свободно падающей волне. Это стало первым случаем, когда были измерены эффекты гравитации и свободного падения на фазу квантовой волны. Хотя это является эффективным демонстрацией принципа эквивалентности Эйнштейна в квантовом мире, это еще не демонстрация квантовой гравитации. Тем не менее, это остается шагом на длинном пути, который физики исследуют уже более века без видимого конца. "У нас нет последовательной теории, объясняющей, почему квантовая физика должна давать сбой", — отметил участник команды Влатко Ведрал. "Этот эксперимент продвигает квантовую механику в одну из ее самых интригующих границ — гравитацию, и показывает, что, снова и снова, ее предсказания подтверждаются". Исследование команды было опубликовано 2 сентября в журнале Science Advances.