Проверьте, могут ли два массивных тела запутаться под действием силы тяжести
Когда дело доходит до союза с квантовой теорией, гравитация является единственным противником среди четырех фундаментальных сил в природе. Три других – электромагнитное взаимодействие, слабое взаимодействие, ответственное за радиоактивный распад, и сильное взаимодействие, связывающее нейтроны и протоны вместе в атомном ядре, – все слились с квантовой теорией, чтобы успешно описать Вселенную на мельчайших деталях. шкалы, в которых законы квантовой механики должны играть ведущую роль.
В атомном интерферометре волновая функция атома разделена на левое и правое плечо. Затем левое и правое плечо объединяются, создавая интерференционную картину. Предоставлено: С. Келли / NIST.
Хотя общая теория относительности Эйнштейна, которая описывает гравитацию как искривление пространства-времени, объясняет множество гравитационных явлений, она терпит неудачу в мельчайших объемах – центре черной дыры или вселенной в момент ее взрывного рождения, когда она была размером меньше атомного диаметра. Вот где квантовая механика должна доминировать.
Однако за последние восемь десятилетий эксперт за экспертом, включая Эйнштейна, не смогли объединить квантовую теорию с гравитацией. Итак, действительно ли гравитация – это квантовая сила?
Исследователи из Национального института стандартов и технологий (NIST) и их коллеги предложили эксперимент, который может помочь решить этот вопрос.
В эксперименте используются два самых странных свойства квантовой теории. Один из них – принцип суперпозиции, согласно которому невозмущенная атомная частица может быть описана как волна с некоторой вероятностью находиться в двух местах одновременно. Например, невозмущенный атом, проходящий через область с двумя щелями, проходит не через одну или другую щель, а через обе.
А поскольку атом описывается волной, часть, которая проходит через одну щель, будет мешать части, которая проходит через другую, создавая хорошо известный узор из ярких и темных полос. Яркие полосы соответствуют областям, где холмы и долины двух волн совпадают так, что они складываются вместе, создавая конструктивную интерференцию, а темные области соответствуют областям, где холмы и впадины волн нейтрализуют друг друга, создавая деструктивную интерференцию.
В начале эксперимента маятник не влияет на волновую функцию атома. Это означает, что два плеча одного атома полностью мешают друг другу. Предоставлено: С. Келли / NIST.
Второе странное квантовое свойство известно как запутанность, явление, при котором две частицы могут быть настолько сильно коррелированы, что ведут себя как единое целое. Измерение свойства одной из частиц автоматически заставляет другую иметь дополнительные свойства, даже если две частицы находятся в разных галактиках.
В квантовой теории гравитации гравитационное притяжение между двумя массивными объектами будет передаваться гипотетической субатомной частицей, гравитоном, точно так же, как электромагнитное взаимодействие между двумя заряженными частицами передается фотоном (фундаментальная частица света). . Итак, если гравитон действительно существует, он должен иметь возможность связывать или запутывать свойства двух массивных тел, так же как фотон может запутывать свойства двух заряженных частиц.
Предложенный эксперимент, предложенный Джейком Тейлором из Объединенного квантового института NIST в Университете Мэриленда, вместе с Дэниелом Карни, который сейчас работает в Национальной лаборатории Лоуренса Беркли, и Хольгером Мюллером из Калифорнийского университета в Беркли, обеспечивает умный способ проверить, есть ли два массивных тела действительно могут запутаться под действием силы тяжести. Они описали свою работу в статье, опубликованной в журнале Physical Review X Quantum 18 августа 2021 года.
В эксперименте будет использоваться холодное облако атомов, заключенное внутри атомного интерферометра. Интерферометр имеет два плеча – левое и правое. Согласно принципу суперпозиции, если каждый атом в облаке находится в чистом невозмущенном квантовом состоянии, его можно описать как волну, занимающую оба рукава одновременно. Когда две части волны, по одной от каждого плеча, рекомбинируют, они образуют интерференционную картину, которая выявляет любые изменения в их траектории из-за таких сил, как гравитация.
Небольшая первоначально неподвижная масса, подвешенная в виде маятника, вводится сразу за интерферометром. Подвешенная масса и атом притягиваются гравитацией. Если этот гравитационный буксир также вызывает запутывание, как бы это выглядело?
Подвешенная масса станет коррелированной с определенным местоположением атома – либо правым плечом интерферометра, либо левым. В результате масса начнет раскачиваться влево или вправо. Если атом расположен слева, маятник начнет качаться влево; если атом расположен справа, маятник начнет качаться вправо. Гравитация запутала положение атома в интерферометре с направлением, в котором маятник начинает качаться.
Позиционная запутанность означает, что маятник эффективно измерил местоположение атома, точно определив его в определенном месте внутри интерферометра. Поскольку атом больше не находится в суперпозиции, находясь в обоих плечах одновременно, интерференционная картина исчезает или уменьшается.
Спустя полпериода, когда качающаяся масса возвращается в исходную точку, она теряет всю «память» о гравитационной запутанности, которую она создала. Это потому, что независимо от того, какой путь выбрал маятник – сначала он качнулся вправо, что определяет местоположение атома в правом плече интерферометра, или первоначально качнулся влево, что определяет местоположение атома в левом плече – он возвращается в то же исходное положение, как ребенок на качелях.
И когда он вернется в исходное положение, с равной вероятностью маятник выберет место для атома в левой или правой руке. В этот момент сцепление между массой и атомом стерто, и снова появляется атомная интерференционная картина.
Спустя полпериода после этого, когда маятник качнется в одну или другую сторону, запутанность восстанавливается, и интерференционная картина снова уменьшается. По мере того как маятник раскачивается вперед и назад, картина повторяется – интерференция, уменьшение интерференции, интерференция. По словам ученых, этот коллапс и возрождение помех станет «дымящимся пистолетом» для запутывания.
«Для любого другого явления, кроме гравитационного запутывания, сложно создать такой цикл», – сказал Карни.
Хотя идеальный эксперимент может быть построен через десять или более лет, предварительная версия может быть готова всего через несколько лет. По словам Тейлора, можно использовать различные ярлыки, чтобы упростить наблюдение. Самый лучший способ – принять предположение, подобное общей теории относительности Эйнштейна, что не имеет значения, когда вы начинаете эксперимент – вы всегда должны получать один и тот же результат.
Тейлор отметил, что необходимо учитывать негравитационные источники квантовой запутанности, что потребует тщательного проектирования и измерений, чтобы исключить их.
В нашем Telegram‑канале вы найдёте новости о непознанном, НЛО, мистике, научных открытиях, неизвестных исторических фактах. Подписывайтесь, чтобы ничего не пропустить.
