Квантовая механика прекрасно описывает мир мельчайших частиц, а общая теория относительности Эйнштейна — гравитацию и устройство пространства-времени в больших масштабах. Обе теории чрезвычайно успешны, но физики до сих пор не смогли объединить их в одну общую картину.
Теперь исследователи провели необычный эксперимент и впервые напрямую показали, что один из фундаментальных принципов теории Эйнштейна действует и для квантового объекта.
Речь идет о принципе эквивалентности. В упрощенном виде он означает, что при свободном падении действие гравитации словно исчезает. Именно поэтому человек внутри свободно падающего объекта ощущал бы невесомость.
Для обычных, крупных тел этот принцип многократно подтверждался. Но с квантовыми объектами ситуация сложнее: они способны вести себя как волны и находиться в состоянии, которое нельзя описать одной обычной траекторией.
Чтобы проверить, что произойдет в таком случае, физики создали специальный прибор — квантовый интерферометр Галилея.
В эксперименте использовали около 20 тысяч атомов рубидия. Их охладили почти до абсолютного нуля — примерно минус 273,15 градуса Цельсия. При столь низкой температуре атомы образовали конденсат Бозе — Эйнштейна: необычное состояние вещества, в котором множество атомов начинают вести себя как единый квантовый объект.
Именно с ним ученые проделали главное.
Квантовую волну этого объекта разделили на две части, заставив их пройти принципиально разными путями.
Одну часть удерживали неподвижно относительно лаборатории. Магнитное поле создавало силу, точно противодействующую земной гравитации.
Вторую часть отправили в свободное падение. Сначала магнитным импульсом ее подбросили вверх, а затем позволили двигаться только под действием гравитации — подняться и упасть обратно по баллистической траектории.
Получилась необычная ситуация: две части одного квантового состояния одновременно находились в разных условиях. Одна была неподвижна относительно Земли, другая свободно падала.
После этого исследователи снова свели их вместе.
Для этого одинаковым магнитным импульсом они устранили различие в скоростях двух волн и заставили их перекрыться. Когда квантовые волны накладываются друг на друга, по характеру их интерференции можно определить, насколько изменились их фазы во время движения.
Именно это позволило проверить действие гравитации.
Полученный сдвиг совпал с теоретическим предсказанием. Иными словами, принцип эквивалентности Эйнштейна выдержал проверку даже в эксперименте с квантовой материей.
Однако авторы сразу предупреждают: это еще не долгожданное объединение квантовой механики и общей теории относительности. Эксперимент также не доказывает, что сама гравитация имеет квантовую природу.
Зато новая установка позволяет приблизиться к гораздо более смелым проверкам.
Один из главных вопросов современной физики состоит в том, действительно ли гравитация является абсолютно непрерывным явлением или, подобно другим взаимодействиям, может существовать в виде отдельных квантов.
Для света такими квантами являются фотоны. Гипотетические кванты гравитации называют гравитонами.
Возможность работать с более массивными квантовыми объектами в новом интерферометре, по мнению исследователей, может открыть путь к экспериментам, способным проверить и подобные идеи.
Пока же результат оказался одновременно скромным и фундаментальным: когда квантовую механику подвергли прямой проверке в условиях гравитации, ее предсказания снова сработали.
Исследование опубликовано в журнале Science Advances.
