Физики нашли точку соприкосновения гравитации и квантовой механики
Физики обнаружили первые намеки на то, что общая теория относительности Альберта Эйнштейна работает в загадочном квантовом мире. Ученым удалось измерить изменения, происходящие с падающим квантовым объектом. Это достижение, подробно описанное в журнале Science Advances, может стать важнейшим шагом на пути к созданию великого объединения физики — так называемой «теории всего».
Фундаментальная наука уже более века сталкивается с неразрешимым противоречием. Общая теория относительности Эйнштейна блестяще описывает Вселенную на макроуровне (планеты, звезды, черные дыры), в то время как квантовая механика — микромир на масштабах меньше атома. Однако эти столпы современной физики категорически «не ладят» друг с другом: полноценной теории квантовой гравитации до сих пор не существует. Исследовательская группа под руководством Рона Фольмана из Университета Бен-Гуриона в Негеве (Израиль) решила найти точку их соприкосновения, проверив, как гравитация влияет на квантовые свойства падающих атомов.
Мысленный лифт Эйнштейна на атомном чипе
В основе эксперимента лежит краеугольный камень теории Эйнштейна — принцип эквивалентности. Согласно ему, для наблюдателя в состоянии свободного падения гравитация словно исчезает. Классическая аналогия описывает человека в закрытом лифте: невозможно отличить, притяжение ли это Земли удерживает вас на полу, или же лифт просто движется вверх с ускорением 9,8 м/с². Если трос оборвется, вы окажетесь в невесомости, и гравитация «исчезнет».
Чтобы проверить этот принцип на квантовом уровне, где частицы одновременно ведут себя как волны, ученые использовали уникальный прибор — Квантовый интерферометр Галилея. Экспериментаторы взяли облако атомов рубидия, охладили его до температуры чуть выше абсолютного нуля и поместили на специальный атомный чип. С помощью микроволновых импульсов атомы перевели в состояние квантовой суперпозиции, заставив их буквально двигаться по двум разным путям одновременно.
Интерференция волн и шаг к «Теории всего»
Магнитное поле чипа удерживало одну часть квантовой волны на месте, компенсируя притяжение Земли. Вторую же часть волны с помощью магнитных импульсов сначала подтолкнули вверх, а затем позволили ей свободно падать под действием силы тяжести — подобно подброшенному мячу. Когда обе траектории вновь воссоединились, ученые измерили изменения в фазе падающей волны, используя эффект интерференции (наложение пиков и впадин волн).
расположены антенны, катушки и оптические волокна, позволяющие захватывать и охлаждать атомы, а затем направлять их по двум различным траекториям. Наконец, определяется относительная фаза между этими двумя траекториями.
Это первый в истории науки случай, когда физикам удалось экспериментально зафиксировать влияние гравитации и свободного падения непосредственно на фазу квантовой волны.
Как отметил участник проекта Влатко Ведрал, исследование продвинуло квантовую механику на один из самых интригующих ее фронтов, доказав, что ее предсказания снова остаются непоколебимыми. Эксперимент не является прямым доказательством квантовой гравитации, но он раздвигает границы познания.
