Istraživači su ultrahladne atome rubidija smjestili u superpoziciju, kvantno stanje u kojem jedna čestica ide dvjema putanjama odjednom. U ovom eksperimentu, jedan put je doveo atom u slobodni pad, dok ga je drugi držao nepomičnim. Rekombiniranje atoma otkrilo je gotovo neprimjetnu razliku između dvije putanje.
Rezultati istraživanja, objavljeni u časopisu Science Advances, pokazuje kako načelo ekvivalencije – ideja u srcu teorije opće relativnosti Alberta Einsteina – i dalje vrijedi kada se unese u kvantni svijet, stvarajući malu, ali primamljivu vezu između relativnosti i kvantne mehanike.
Klasična ilustracija principa ekvivalencije je misaoni eksperiment poznat kao Einsteinov lift. Osoba zatvorena u liftu bez prozora ne može reći pritišće li pod njezine noge jer je lift nepomično parkiran na Zemlji ili zato što se ubrzava kroz prazan prostor.
Dosad bez instrumenta bez mjerenje
Za teške, svakodnevne objekte, načelo ekvivalencije testiran je s izvanrednom preciznošću. Kvantni objekti su drugačija stvar. Ponašaju se poput valova, a svaki val nosi količinu koja se naziva faza – u biti, gdje se nalaze njegovi vrhovi i doline.
Faza se ne može izravno vidjeti, ali kada se dvije verzije iste čestice rekombiniraju, svaka neusklađenost između njihovih faza pokazuje se kao interferencijski uzorak. Dva vala se međusobno pojačavaju na nekim mjestima, a međusobno se poništavaju na drugima, čime se mijenja vjerojatnost gdje će se čestica pojaviti.
Teorija kaže kako bi val u slobodnom padu trebao graditi fazu u odnosu na identičan val koji miruje i kako bi ta faza trebala rasti s kubom vremena pada. Stoga, udvostručenje vremena pada umnožava učinak osmerostruko. Charles Galton Darwin, unuk slavnog prirodoslovca, i Earle Kennard dokumentirali su ovo predviđanje 1927. – ali nitko ga do sada nije izmjerio.
Za hvatanje učinka bio je potreban instrument s jednom rukom koja je istinski mirovala u odnosu na Zemlju, a drugom u istinskom slobodnom padu, što nijedan prethodni eksperiment nije mogao pružiti. Eksperimenti s valovima materije koji sežu do neutronske interferometrije 1970-ih mjerili su gravitaciju na druge načine, ali nikada s tim parom putanja.
20 tisuća atoma “na ledu”
Tim koji stoji iza nove studije ohladio je otprilike 20 tisuća atoma rubidija u egzotično stanje materije zvano Bose-Einsteinov kondenzat, oslobodio ih iz njihove magnetske zamke i pokrenuo interferometar oko 113 mikrometara ispod “atomskog čipa” s uzorkom zlatnih žica debljine samo dva mikrometra.
Radio i mikrovalni impulsi stavili su svaki atom u superpoziciju dvaju magnetskih stanja. Magnetski udarac lansirao je jedno od njih prema gore, a djelić milisekunde kasnije, drugi impuls učinio je tu polovicu neosjetljivom na magnetska polja tako da se dizala i padala samo pod utjecajem gravitacije. Druga polovica ostala je magnetski osjetljiva i osjećala je silu namještenu kako bi točno poništila gravitaciju, ostavljajući je lebdećom na mjestu.
Na vrhu luka, dvije polovice jednog atoma stajale su udaljene oko 7,5 mikrometara – oko sedam puta širine samog atomskog vala – prije nego što je slijed obrnut kako bi se ponovno spojile. Tim je uređaj nazvao kvantni Galileo interferometar, po znanstveniku koji je prvi tvrdio kako svi objekti padaju istom brzinom.
Istraživači su pratili signal interferencije dok su rastezali vrijeme slobodnog pada na oko 2,4 milisekunde. Tijekom 633 ciklusa tijekom 5,3 satazabilježili su 13 potpunih oscilacija, svaka puni ciklus faze izgrađene između dvije polovice atoma. Rast je pratio kubu vremena pada, podudarajući se s teorijskim modelom s točnošću od oko 2,5 posto.
Dva puta do iste faze
Rezultat je važan jer se ista faza može izvesti na dva potpuno različita načina. Jedan tretira gravitaciju kao silu koja djeluje na kvantni val, dok drugi se pomiče u padajući sustav, gdje gravitacija nestaje, i poziva se na načelo ekvivalencije. Oba daju isti odgovor, a to slaganje omogućuje koegzistenciju kvantne mehanike i opće relativnosti.
Najteži dio eksperimenta bila je rekombinacija. Budući se dvije polovice atoma na kraju kreću vrlo različitim brzinama, njihovo vraćanje u položaj i kretanje izuzetno je zahtjevno. Fizičari Marlan Scully, Berthold-Georg Englert i Julian Schwinger nazvali su problem Humpty-Dumpty efektom. Magnetska polja također se zakrivljuju preko atomskog oblaka, iskrivljujući dvije polovice na različite načine.
Kontrast interferencijskih pruga započeo je na 80 posto za kratke serije i smanjio se na 20 posto za najdulje serije, postavljajući praktičnu gornju granicu koliko dugo eksperiment može trajati. Autori su također upozorili kako njihovo mjerenje ne isključuje svaku teoriju u kojoj načelo ekvivalencije ne funkcionira jer neke od tih teorija predviđaju istu fazu.
[post_publish_update_datetime]
