Wszystko dlatego, że naukowcy po raz pierwszy bezpośrednio zaobserwowali przewidywany przez teorię względności efekt grawitacji działającej na obiekt znajdujący się w stanie kwantowym. Badanie przeprowadził międzynarodowy zespół naukowców, który przedstawił wyniki swoich działań na łamach Science Advances.
Członkowie ekipy badawczej postawili na jedną z podstawowych zasad ogólnej teorii względności Einsteina, znana jako zasada równoważności. Mówi ona między innymi, że dla obserwatora znajdującego się w swobodnym spadku lokalne działanie grawitacji może zostać utożsamione ze stanem nieważkości. Klasycznym przykładem jest człowiek znajdujący się w spadającej windzie, który przez chwilę nie odczuwa swojego ciężaru.
Czytaj też: Naukowcy badają nowe źródło energii. Ich silnik przenosi prawa termodynamiki do kwantowego świata
Przez dziesięciolecia zasada ta była niezwykle dokładnie testowana dla zwykłej materii. Znacznie trudniejsze było jednak sprawdzenie, jak zachowuje się w przypadku obiektu kwantowego. W świecie kwantowym cząstki nie muszą bowiem zachowywać się jak klasyczne kulki. Mogą znajdować się w superpozycji stanów, a ich opis wymaga posługiwania się funkcją falową.
Naukowcy stworzyli specjalny układ eksperymentalny nazwany Quantum Galileo Interferometer, czyli kwantowym interferometrem Galileusza. Pozwolił on wykorzystać ultrazimne atomy i umieścić je w stanie superpozycji, dzięki czemu ich fala kwantowa uległa rozdzieleniu na dwie części poruszające się różnymi drogami. Jedna część fali była utrzymywana w miejscu, podczas gdy druga mogła swobodnie opadać pod wpływem grawitacji. Następnie obie części zostały ponownie połączone. To właśnie w tym momencie naukowcy mogli sprawdzić, w jaki sposób grawitacja wpłynęła na stan kwantowy atomu.
Eksperyment wymagał niezwykle precyzyjnej kontroli. Badacze wykorzystali impulsy mikrofalowe do przygotowania atomów w superpozycji, a następnie zastosowali niewielkie przewody umieszczone na chipie, aby wytworzyć kontrolowane pola magnetyczne. Pozwoliło to oddziaływać na jedną z części fali kwantowej i zrównoważyć działanie grawitacji.
Najważniejszym pomiarem była różnica fazy pomiędzy obiema częściami fali. Można ją traktować jako swoisty zapis tego, co wydarzyło się podczas eksperymentu. Część atomu, która swobodnie opadała, gromadziła inną fazę niż część utrzymywana w miejscu. Po ponownym połączeniu obu fal powstał charakterystyczny obraz interferencyjny, pozwalający zmierzyć niezwykle mały efekt.
Czytaj też: Naukowcy zajrzeli do wnętrza kwantowego świata. Zweryfikowali to, o czym debatowali od lat
Wynik okazał się zgodny z przewidywaniami wynikającymi z zastosowania zasady równoważności Einsteina do obiektu kwantowego. Jest to istotne, ponieważ pokazuje, iż przynajmniej w zakresie sprawdzonym przez eksperyment podstawowe przewidywania ogólnej teorii względności pozostają zgodne z zachowaniem materii w świecie kwantowym.
Nie oznacza to oczywiście, że naukowcy rozwiązali problem kwantowej grawitacji. Wręcz przeciwnie. Fizycy wciąż nie wiedzą, jak stworzyć jedną teorię opisującą grawitację i mechanikę kwantową w każdych warunkach. Nowe doświadczenie jest jednak ważnym krokiem, ponieważ pozwala eksperymentalnie badać obszar, który wcześniej był przede wszystkim domeną rozważań teoretycznych.
Źródło: Science Advances
