Oamenii de știință observă pentru prima dată gravitația lui Einstein în lumea cuantică

Oamenii de știință au observat gravitația acționând asupra unui obiect cuantic aflat în cădere într-un mod prezis de Einstein, deschizând o nouă fereastră experimentală către unul dintre cele mai mari mistere ale fizicii.

Fizicienii au observat direct un efect cuantic al gravitației prezis de mult timp, supunând unei noi și remarcabile verificări una dintre ideile fundamentale ale lui Einstein. Folosind atomi ultrareci, cercetătorii au separat unda cuantică a unui atom astfel încât o parte să fie menținută pe loc, în timp ce cealaltă a căzut liber sub acțiunea gravitației, apoi au reunit cele două părți pentru a măsura diferența extrem de mică rezultată.

O echipă internațională care îl include pe fizicianul laureat al Premiului Nobel, profesorul Sir Roger Penrose, a observat direct, pentru prima dată, un efect gravitațional prezis de mult timp într-un obiect cuantic aflat în cădere. Descoperirea arată că un principiu central al teoriei gravitației lui Einstein continuă să fie în acord cu comportamentul cuantic în condițiile testate. Cercetarea, coordonată de Universitatea Ben-Gurion din Negev, Universitatea din Ulm și Universitatea Oxford, a fost publicată pe 2 septembrie în revista Science Advances, potrivit Science Daily.

Intersecția dintre mecanica cuantică și gravitație

Fizica modernă se bazează pe două cadre teoretice deosebit de bine confirmate. Mecanica cuantică descrie comportamentul neobișnuit al atomilor și al altor obiecte extrem de mici, în timp ce teoria gravitației a lui Einstein explică mișcarea corpurilor aflate în cădere și structura Universului la scară largă. În ciuda succesului individual al celor două teorii, fizicienii nu dispun încă de o teorie completă care să le unească.

Noul experiment explorează regiunea în care aceste două descrieri se suprapun. Cercetătorii au măsurat o modificare specifică a proprietăților cuantice ale atomilor în timp ce aceștia se deplasau sub influența gravitației. Efectul a corespuns predicției care rezultă atunci când principiul echivalenței al lui Einstein, unul dintre fundamentele teoriei sale asupra gravitației, este extins la un obiect cuantic.

Testarea principiului echivalenței al lui Einstein

Principiul echivalenței afirmă că gravitația ar trebui să dispară efectiv la nivel local pentru un observator aflat în cădere liberă. De exemplu, o persoană care cade liber într-un lift ar experimenta imponderabilitatea. Principiul a fost confirmat cu o precizie extraordinară folosind materie obișnuită, însă testarea sa directă cu obiecte cuantice a fost mult mai dificilă, deoarece obiectele cuantice se pot comporta asemenea undelor și pot urma, în mod efectiv, mai multe traiectorii simultan.

Pentru a face posibil un astfel de test, echipa a construit un instrument numit Interferometrul Cuantic Galileo. Dispozitivul le-a permis cercetătorilor să separe unda cuantică asociată unui atom în două traiectorii distincte. O parte putea fi menținută pe loc, în timp ce cealaltă era lăsată să cadă liber. Cele două părți erau apoi reunite, pentru ca cercetătorii să poată determina modul în care gravitația afectase unda aflată în cădere.

Experimentul a fost realizat la Universitatea Ben-Gurion folosind nori de atomi de rubidiu răciți la temperaturi aflate cu puțin peste zero absolut. Atomii au fost manipulați în apropierea suprafeței unui cip atomic special conceput.

Separarea unui atom în două traiectorii cuantice

Echipa experimentală, din care a făcut parte și doctorandul Or Dobkowski, a început prin utilizarea unor impulsuri de microunde pentru a plasa atomii ultrareci într-o superpoziție cuantică. Acest lucru a permis efectiv fiecărui atom să urmeze două traiectorii simultan.

Fire electrice minuscule integrate în cip au generat apoi câmpuri magnetice controlate cu mare precizie. O parte a undei atomice a interacționat cu câmpul magnetic, permițând cercetătorilor să creeze o forță orientată în sus care să echilibreze cu precizie atracția gravitațională orientată în jos. Drept urmare, acea parte a undei a rămas staționară în raport cu laboratorul și Pământul.

Cealaltă parte a fost împinsă în sus folosind un impuls magnetic controlat cu precizie. Ulterior, aceasta a fost comutată într-o stare aproape neafectată de câmpul magnetic, permițându-i să se deplaseze liber sub acțiunea gravitației, urmând o traiectorie balistică asemănătoare celei a unei mingi aruncate în aer.

După încheierea mișcării de cădere, un alt impuls magnetic controlat cu atenție a adus cele două părți ale undei atomice din nou împreună. Undele reunite au interferat una cu cealaltă, oferindu-le cercetătorilor posibilitatea de a măsura diferența extrem de mică de fază cuantică acumulată în perioada în care o parte a căzut, iar cealaltă a rămas fixă.

Gravitația lasă o semnătură cuantică măsurabilă

Faza cuantică măsurată de cercetători a corespuns fazei prezise atunci când principiul lui Einstein este aplicat acestui tip de undă cuantică. Prin urmare, experimentul oferă o legătură directă, realizată în laborator, între fizica cuantică și descrierea gravitației formulată de Einstein.

Particulele cuantice au fost folosite și în experimente anterioare pentru măsurarea gravitației, însă cercetătorii afirmă că acesta este primul caz în care a fost măsurată direct faza cuantică prezisă, produsă de un obiect aflat în cădere liberă.

Autorul principal, profesorul Ron Folman de la Universitatea Ben-Gurion din Negev, a declarat: „Acesta este un articol unic, deoarece combină un experiment dificil cu o interpretare teoretică de mare amploare, în jurul uneia dintre cele mai fundamentale întrebări din fizică: Cum pot fi unificate gravitația, descrisă de teoria relativității a lui Einstein, și teoria cuantică într-o singură înțelegere a Universului? Acești doi piloni ai fizicii moderne au evitat până acum toate încercările de a construi un cadru teoretic unificat, însă acest experiment complex oferă mai multe indicii despre modul în care o asemenea unificare ar putea fi realizată.”

Coautorul studiului, profesorul Vlatko Vedral, din cadrul Departamentului de Fizică al Universității Oxford, a adăugat: „Nu avem nicio teorie coerentă care să ne spună de ce fizica cuantică ar trebui să eșueze. Acest experiment împinge mecanica cuantică spre una dintre cele mai intrigante frontiere ale sale, gravitația, și arată că, încă o dată, predicțiile sale se confirmă.”

Ce demonstrează și ce nu demonstrează experimentul

Descoperirea nu oferă o teorie unificată a mecanicii cuantice și gravitației și nici nu demonstrează că gravitația în sine este cuantică. În schimb, ea arată că principiul echivalenței al lui Einstein rămâne compatibil cu mecanica cuantică în limitele explorate de experiment.

Rezultatele nu infirmă nici ideea propusă de coautorul studiului, profesorul Sir Roger Penrose de la Universitatea Oxford. Penrose a susținut că mecanica cuantică ar putea, în cele din urmă, să se destrame atunci când obiecte suficient de masive rămân în superpoziții cuantice pentru perioade suficient de lungi.

Experimentul actual nu a implicat obiecte suficient de masive și nici superpoziții care să dureze suficient de mult pentru a testa această posibilitate. Cercetătorii speră însă că noua tehnică va putea fi extinsă în cele din urmă la obiecte mult mai grele, inclusiv nanodiamante. Experimente concepute pentru a investiga această posibilitate sunt deja în desfășurare în cadrul aceluiași grup de la Universitatea Ben-Gurion din Negev.

Echipa internațională de cercetare a inclus oameni de știință de la Universitatea Ben-Gurion din Negev, Universitatea Oxford, Universitatea Southampton, Centrul Aerospațial German, Institutul de Tehnologii Cuantice din Ulm, Universitatea din Ulm și Texas A&M University.