Квантовая гравитация близко: эксперимент впервые проверил эквивалентность Эйнштейна на атомах

Ученые обнаружили первые намеки на то, что эйнштейновское описание гравитации работает в квантовой области.

Намеки связаны с наблюдением падающего квантового объекта, и хотя это может не казаться большим достижением (буквально речь идет об атомах), это может стать важным шагом на пути к теории... всего.

Для начала вернемся в первые годы XX века. Возьмем знаковую теорию гравитации Эйнштейна — общую теорию относительности — и неуловимую область квантовой механики. Первая описывает Вселенную в масштабах планет, звезд и черных дыр, даже демонстрируя, как формировались галактики и скопления галактик, а вторая описывает контринтуитивную физику масштабов меньше атома. Но есть проблема: эти две важнейшие теории плохо сочетаются.

Квантовой теории гравитации не существует. Однако ученые считают, что мы приближаемся к ней.

Команда исследователей провела эксперимент, чтобы найти точку, где квантовая механика и общая теория относительности встречаются. А именно: как квантовые свойства атомов меняются, когда эти атомы падают под действием гравитации.

«Это уникальная работа в том смысле, что она объединяет сложный эксперимент с далеко идущей теоретической интерпретацией одного из самых фундаментальных вопросов физики: как гравитация, описываемая теорией относительности Эйнштейна, и квантовая теория могут быть объединены в одно понимание Вселенной? — сказал руководитель команды Рон Фольман из Университета Бен-Гуриона в Негеве. — Эти два столпа современной физики до сих пор не поддавались всем попыткам создания единой теоретической основы, но этот сложный эксперимент дает новые подсказки о том, как такое объединение может быть достигнуто».

Лифты и эквивалентность

В основе эксперимента лежит важный элемент общей теории относительности — принцип эквивалентности.

Принцип эквивалентности гласит: для наблюдателя в свободном падении гравитация должна исчезать. Если это звучит запутанно, представьте популярную аналогию. Вы находитесь в закрытом лифте без обзора. Вы чувствуете тяжесть. Вы роняете мяч, и он падает на пол лифта. Почему это происходит? Есть два варианта.

Возможно, вы стоите неподвижно на первом этаже, или лифт движется вверх с ускорением, равным напряженности гравитационного поля Земли — 9,8 метра в секунду за секунду. Вы не можете отличить гравитацию от ускорения. Это и есть принцип эквивалентности.

Теперь встряхнем ситуацию. Внезапно вы перестаете чувствовать вес. Вы роняете мяч, и он парит. Гравитация исчезла, или восходящее ускорение прекратилось. Внутри лифта могли произойти две вещи, и вы не можете их различить. Трос лифта мог оборваться, и вы теперь в свободном падении, или восходящее ускорение вынесло вас в космос и затем прекратилось.

Главный вопрос: как проверить это на квантовом уровне, особенно для частиц, которые ведут себя как волны при движении?

Помашите квантовой гравитации?

Чтобы измерить принцип эквивалентности в квантовом масштабе, исследователи обратились к установке под названием «Квантовый Галилео-интерферометр». Она позволила разделить квантовую волну, связанную с движущимся атомом, на два пути. Один удерживался на месте, а другому позволяли свободно падать.

Затем команда снова объединила волны, чтобы наблюдать изменения, которые гравитация внесла в падающую волну.

В качестве подопытных команда выбрала облако атомов рубидия, охлажденных почти до абсолютного нуля. Их разместили у поверхности специально сконструированного атомного чипа. С помощью микроволновых импульсов ученые привели атомы в так называемую квантовую суперпозицию.

Суперпозиция — одна из тех странностей, присущих только квантовой физике, которая фактически позволяет квантовой системе одновременно существовать в двух или более противоречащих состояниях. В данном случае суперпозиция позволила каждому атому двигаться по двум разным путям одновременно.

Магнитные поля, создаваемые атомным чипом, толкали атомы вверх вдоль одного пути, противодействуя притяжению гравитации и удерживая их на месте. На другом пути атомы подвергались магнитным импульсам, толкающим их вверх. Затем импульсы отключались, позволяя атомам свободно падать под действием гравитации, как мяч, подброшенный в воздух.

Когда волны снова объединили, команда использовала эффект, называемый интерференцией, который возникает при встрече пиков и впадин двух несовпадающих волн, чтобы измерить изменения в свободно падающей волне.

Это стало первым случаем, когда влияние гравитации и свободного падения на фазу квантовой волны было измерено.

Однако, хотя это эффективная демонстрация принципа эквивалентности Эйнштейна в квантовой области, это не демонстрация квантовой гравитации. Тем не менее это шаг на мучительно долгом пути, по которому физики идут уже более века и конца которому не видно.

«У нас нет последовательной теории, объясняющей, почему квантовая физика должна давать сбой, — сказал участник команды Влатко Ведрал. — Этот эксперимент продвигает квантовую механику в одну из самых интригующих пограничных областей — гравитацию — и показывает, что ее предсказания снова выполняются».

Исследование команды было опубликовано в среду (2 сентября) в журнале Science Advances.

Пропасть между двумя мирами

Физика стоит перед величайшим вызовом в своей истории: две теории, каждая из которых безупречно работает в своей области, отказываются объединяться.

Общая теория относительности описывает гравитацию как искривление пространства-времени. Квантовая механика описывает мир вероятностей и суперпозиций. Но когда дело доходит до квантовой гравитации — области, где обе теории должны работать одновременно, — математика ломается.

Эксперимент Фольмана — это не прорыв к теории всего. Это проверка: работает ли принцип эквивалентности, краеугольный камень общей теории относительности, на квантовом уровне? Ответ: да.

Атомы рубидия, падающие и неподвижные одновременно, вели себя именно так, как предсказывает Эйнштейн. Квантовая волна сохранила свою структуру, а гравитация внесла предсказуемые изменения.

Но это лишь подтверждение того, что две теории совместимы в этой точке. Это не объясняет, как их объединить.

Каждый такой эксперимент — кирпичик в мосте через пропасть. Мост строится медленно, десятилетиями. Но каждый кирпичик приближает физику к ответу на вопрос, который мучил еще Эйнштейна: как устроена Вселенная на самом глубоком уровне?

Источники: исследование в Science Advances, заявления Рона Фольмана и Влатко Ведрала.