Fizičari su prvi put izravno izmjerili kvantnu fazu objekta koji slobodno pada pod utjecajem gravitacije. U pokusu su usporedili dva dijela iste atomske valne funkcije: jedan je ostao gotovo nepomičan, a drugi je slobodno padao prije nego što su ih ponovno spojili.
Rezultat se slaže s predviđanjem Einsteinova načela ekvivalencije, prema kojem gravitacija u odgovarajućem sustavu ne ovisi o sastavu tijela. Pokus ne ujedinjuje kvantnu mehaniku i gravitaciju niti pokazuje da je gravitacija sama po sebi kvantna, ali precizno ispituje kako se poznata gravitacija odražava na kvantni objekt.
Dva dijela istog vala
Tim predvođen istraživačima sa Sveučilišta Ben-Gurion, Sveučilišta u Ulmu i Sveučilišta u Oxfordu ohladio je atome rubidija gotovo do apsolutne nule. Laserima i magnetskim poljima pripremili su ih u stanje u kojem se ponašaju kao valovi.
U središtu pokusa nalazi se atomski interferometar. Jedan dio valnog paketa ostao je u laboratoriju, gdje ga je magnetsko polje držalo na približno istoj visini. Drugi je dio dobio precizno kontrolirani potisak i zatim se prepustio slobodnom padu pod djelovanjem Zemljine gravitacije.
Nakon pada istraživači su drugim magnetskim impulsom vratili dva dijela u zajedničko područje. Kada su se ponovno preklopili, interferirali su poput valova na vodi. Iz tog uzorka moguće je odrediti koliko se promijenila njihova međusobna faza.
Upravo je ta razlika bila cilj mjerenja. Raniji pokusi koristili su atome kao vrlo osjetljive mjerne uređaje za gravitacijsko ubrzanje, ali nisu izravno izdvojili kvantnu fazu slobodno padajućeg vala u odnosu na val koji je ostao na mjestu.
Einsteinovo načelo u kvantnom opisu
Načelo ekvivalencije jedan je od temelja opće teorije relativnosti. U klasičnom opisu znači da tijela u istom gravitacijskom polju padaju jednakim ubrzanjem ako zanemarimo otpor zraka i druge sile. Kvantna mehanika, međutim, ne opisuje atom kao malu kuglicu s jednom putanjom, nego kao val čija se svojstva određuju vjerojatnostima i fazama.
Pitanje je stoga može li načelo koje vrijedi za klasična tijela jednako dobro opisati kvantni val. U novom pokusu izmjerena faza podudarala se s vrijednošću koju predviđa relativistički opis slobodnog pada.
To nije prvi put da je gravitacija opažena u kvantnim sustavima. Raniji eksperimenti već su mjerili iznimno slabe gravitacijske sile na malim česticama. Novost je u tome što je sada izdvojena faza vala koji je dio vremena slobodno padao, dok je drugi dio služio kao referenca.
Put prema težim kvantnim sustavima
Pokus je izveden s atomima, a ne s makroskopskim predmetima. Njegova preciznost još nije dovoljna za ispitivanje gravitacije u režimu u kojem bi sam gravitacijski izvor bio u kvantnoj superpoziciji. Autori ipak smatraju da bi poboljšani interferometri mogli jednog dana raditi s težim objektima, uključujući nanodijamante.
Za takva će mjerenja trebati dulje vrijeme slobodnog pada, bolja izolacija od vibracija i pouzdanija kontrola magnetskih polja. Tek bi rezultat koji se ne slaže s predviđanjem opće relativnosti otvorio mogućnost nove fizike. Ovaj pokus zasad pokazuje da se poznata Einsteinova gravitacija vrlo dobro uklapa u promatrani kvantni opis.
