Международен екип, включващ носителя на Нобелова награда по физика проф. сър Роджър Пенроуз, за ​​първи път наблюдава отдавна прогнозиран ефект на гравитацията върху падащ квантов обект. Резултатът показва, че фундаментален принцип в основата на теорията на Айнщайн за гравитацията остава в съответствие с поведението на материята в квантовия свят. Проучването, ръководено от университета Бен-Гурион в Негев, университета в Улм и университета в Оксфорд, беше публикувано в сп. Science Advances.

Повече от век физиците разчитат на две изключително успешни описания на природата. Квантовата механика обяснява странното поведение на атомите и други малки обекти. Теорията на Айнщайн за гравитацията обяснява как обектите падат и как гравитацията оформя Вселената. И все пак физиците все още не разбират напълно как двете си пасват.

Сега международен екип е извършил експеримент, който изследва точката, където се срещат. В изследването изследователите наблюдават отличителна промяна в квантовите свойства на атомите, докато те падат под гравитацията. Най-важното е, че ефектът, който те измерват, е същият, който се предвижда, когато принципът на еквивалентност на Айнщайн, крайъгълен камък на неговата теория за гравитацията, се прилага към квантов обект.

Принципът на еквивалентността гласи, че за наблюдател в свободно падане гравитацията би трябвало локално да изчезне. Някой, който пада свободно в асансьор, например, би изпитал безтегловност. Въпреки че тази теория е преживяла изключително прецизни тестове, включващи обикновена материя, не е било ясно как може да бъде експериментално тествана с квантови обекти, които могат да се държат като вълни и ефективно да се движат по повече от един път.

В основата на експеримента е нов апарат, който изследователите наричат ​​Квантов интерферометър „Галилео“. Той им позволява да направят нещо необичайно: ефективно да разделят квантовата вълна, свързана с атом, на два пътя, да задържат единия на място, докато позволяват на другия да пада свободно, и след това да ги съберат отново, за да видят как гравитацията е променила падащата вълна.

Експериментът е проведен в университета Бен-Гурион, използвайки облаци от рубидиеви атоми, охладени до малко над абсолютната нула и манипулирани близо до повърхността на специално проектиран атомен чип.

Експерименталният екип първо използва микровълнови импулси, за да постави ултрастудените атоми в квантова суперпозиция, като по този начин ефективно позволява на всеки атом да се движи по два различни пътя едновременно. След това те използват малки електрически проводници върху чипа, за да генерират прецизно контролирани магнитни полета. Една част от атомната вълна реагира на това магнитно поле, което позволява на изследователите да приложат насочена нагоре сила, която точно противодейства на насоченото надолу гравитационно привличане. Всъщност тази част е била задържана неподвижно спрямо лабораторията и Земята.

Другата част е била избутана нагоре с прецизно контролиран магнитен импулс, след което е преминала в състояние, почти незасегнато от магнитното поле, така че да може да пада свободно под въздействието на гравитацията – следвайки балистична траектория, подобна на топка, хвърлена във въздуха.

В края на падането, изследователите използвали друг прецизно контролиран магнитен импулс, за да съберат отново двете части. Когато двете вълни се събрали отново, те се интерферирали взаимно. Тази интерференция позволила на изследователите да измерят малката разлика в квантовата фаза, натрупана, докато едната падала, а другата била неподвижна.

Фазата, измерена в новия експеримент, е същата като тази, предсказана, когато принципът на Айнщайн се приложи към такава квантова вълна. Следователно резултатът осигурява експериментална връзка между квантовата физика и теорията за гравитацията на Айнщайн.

Снимка: Unsplash/Or Dobkowski

Виж още: Масивна термична аномалия под повърхността на Марс показва, че Червената планета има съвсем друга страна