Физики сравнили свободное падение атома с неподвижной траекторией
Международная группа создала интерферометр, в котором один атом одновременно проходит по двум путям: на одном он свободно падает, на другом остаётся неподвижным. Такая схема позволяет измерить, как гравитация влияет на фазу квантовой волны.
Группа физиков под руководством Рона Фольмана из Университета Бен-Гуриона в Негеве построила интерферометр для проверки давнего предсказания на стыке квантовой механики и теории гравитации Эйнштейна. В работе участвовали исследователи из Германии, Великобритании и США, включая нобелевского лауреата Роджера Пенроуза.
Установка создаёт для одного атома две возможные траектории одновременно. На одной атом свободно падает, на другой удерживается совершенно неподвижным. Обе траектории заканчиваются в одной точке и в один момент времени, благодаря чему исследователи могут сопоставить состояние атома после движения по ним.
Измеряемая величина — фаза квантовой волны, то есть положение в её колебательном цикле. Саму фазу отдельно определить нельзя: для этого нужно разделить один объект на две траектории, а затем вновь свести их. Этот принцип лежит и в основе опыта с двумя щелями, где интерференционная картина позволяет судить о фазе частиц.
Теоретики ещё почти сто лет назад описали, как свободное падение должно влиять на квантовую волну. Проверить это напрямую долго не удавалось: атомы должны быть охлаждены почти до абсолютного нуля, чтобы проявились их волновые свойства, а также требовался интерферометр с нужной схемой траекторий. Технологии охлаждения атомов до таких температур появились лишь в конце 1990-х.
По словам Фольмана, неверность прежнего теоретического решения означала бы прямое противоречие между квантовой механикой и эйнштейновским описанием гравитации. Представленный интерферометр впервые позволяет выполнить необходимое сравнение.