Исследователи впервые смогли напрямую наблюдать гравитационный эффект, предсказанный теорией Альберта Эйнштейна, в падающем квантовом объекте. Этот эксперимент продемонстрировал, что один из столпов теории гравитации сохраняет свою совместимость с квантовой механикой в испытанных условиях.
Исследование было проведено международной группой ученых из Университета Бен-Гуриона в Негеве, Ульмского университета и Оксфордского университета при участии лауреата Нобелевской премии физика сэра Роджера Пенроуза. Результаты были опубликованы в журнале Science Advances 2 сентября.
Этот результат значим, поскольку современная физика опирается на две высокоуспешные, но все еще не полностью объединенные структуры: квантовую механику, описывающую поведение мельчайших частиц, и теорию Эйнштейна, объясняющую гравитацию, падение тел и крупномасштабную космическую структуру. Новый тест был сосредоточен именно на области, где эти два описания пересекаются.
Детали эксперимента
Квантовая фаза, измеренная во время эксперимента, соответствовала прогнозу, полученному путем применения принципа эквивалентности Эйнштейна к этому конкретному типу квантовой волны. Этот принцип упрощенно постулирует, что гравитация должна отсутствовать локально для наблюдателя в состоянии свободного падения, что иллюстрирует ощущение невесомости в падающем лифте.
Хотя этот принцип уже был подтвержден с высокой точностью с использованием обычной материи, сложность заключалась в его прямом тестировании на квантовых сущностях, которые способны демонстрировать волновое поведение и одновременно проходить по нескольким траекториям.
Исследователи подчеркивают, что, хотя предыдущие работы использовали квантовые частицы для измерения гравитации, отличием этого нового исследования стало первое прямое измерение ожидаемой квантовой фазы для тела, находящегося в свободном падении.
Рон Фолман, ведущий автор исследования, заявил: «Это уникальная статья, поскольку она сочетает сложный эксперимент с долгосрочной теоретической интерпретацией одного из самых фундаментальных вопросов физики: как гравитация, описываемая теорией Эйнштейна, и квантовая теория могут быть объединены в понимании Вселенной?». Влатко Ведрал, профессор Оксфордского университета и соавтор, добавил, что эксперимент вывел квантовую механику на одну из ее самых интригующих границ.
Ограничения и дальнейшие шаги
Несмотря на важность результата, сами ученые осторожны в определении пределов этого открытия. Они пояснили, что эксперимент не создал единой теории между квантовой механикой и гравитацией и не доказал, что сама гравитация является квантовой. Было продемонстрировано лишь то, что принцип эквивалентности Эйнштейна остается согласованным с квантовой механикой в рамках проанализированных условий.
Кроме того, результат не опровергает гипотезу Роджера Пенроуза, который предполагает, что квантовая механика может давать сбой, когда объекты достаточной массы поддерживают состояния суперпозиции в течение длительного времени. Однако текущий эксперимент не использовал объекты с достаточной массой или продолжительными суперпозициями для проверки этой спекуляции.
Команда планирует расширить методологию, включив более тяжелые объекты, такие как наноалмазы, и испытания с этой целью уже проводятся в той же группе Университета Бен-Гуриона в Негеве. Исследование включает сотрудничество между Университетом Бен-Гуриона в Негеве, Оксфордским университетом, Саутгемптонским университетом, Немецким аэрокосмическим центром, Ульмским институтом квантовых технологий, Ульмским университетом и Техасским А&М университетом.