Dva experimenty testují Einsteinovu gravitaci na kvantové úrovni

Ve dvou pokrocích oznámených tento měsíc fyzici otestovali Einsteinův princip ekvivalence způsoby, které dosud nebyly vyzkoušeny: jeden tým měřením kvantové fáze volně padajícího atomu, druhý vytvořením svazku exotických částic, který by mohl rozšířit testování na zcela novou třídu hmoty.

Padající kvantová vlna potvrzuje Einsteina

Mezinárodní tým vedený Ben-Gurionovou univerzitou v Negevu, Ulmskou univerzitou a Oxfordskou univerzitou poprvé přímo změřil kvantovou fázi získanou objektem ve volném pádu a zjistil, že odpovídá předpovědi odvozené z Einsteinova principu ekvivalence. Studie, publikovaná 2. září v časopise Science Advances, zahrnovala mezi své spoluautory i nositele Nobelovy ceny Sira Rogera Penrose.science+2

Pomocí přístroje zvaného Kvantový Galileův interferometr vědci rozdělili mračna atomů rubidia ochlazených téměř na absolutní nulu do kvantových superpozic a vyslali jednu část vlny každého atomu do volného pádu, zatímco druhou udržovali v klidu pomocí magnetického pole. Když se obě poloviny znovu spojily, interferenční obrazec odhalil fázový rozdíl v souladu s Einsteinovou předpovědí, že účinky gravitace pro volně padajícího pozorovatele mizí.scitechdaily+2

"Tento experiment posouvá kvantovou mechaniku do jedné z jejích nejzajímavějších oblastí, tedy ke gravitaci, a ukazuje, že její předpovědi opět platí," uvedl spoluautor studie Vlatko Vedral z Oxfordské univerzity. Hlavní autor Ron Folman z Ben-Gurionovy univerzity označil práci za "unikátní článek v tom smyslu, že kombinuje náročný experiment s dalekosáhlou teoretickou interpretací" o sjednocení gravitace a kvantové teorie.ox+1

Experiment netestuje, zda je samotná gravitace kvantová. Nedosahuje ani hmotnosti nebo časových měřítek potřebných k prozkoumání Penroseova návrhu, že kvantová mechanika může u dostatečně hmotných objektů selhat, ačkoli skupina již na tomto cíli pracuje s využitím těžších částic, jako jsou nanodiamanty.scitechdaily

Atomové dělo pro exotickou hmotu

Nezávisle na tom vědci z ETH Zurich a Paul Scherrer Institute 14. září v časopise Nature Physics oznámili, že vytvořili přesně řízený svazek muonia – exotického atomu, jehož hmotnost pochází téměř výhradně z mionu, těžšího bratrance elektronu. Nikdo dosud přímo netestoval, zda gravitace působí stejným způsobem na takové částice druhé generace.nature+1

Tým vystřelil antimiony do dvoumilimetrové vrstvy supratekutého helia ochlazeného na přibližně 0,2 kelvinu. Kapalina vypudila výsledné atomy muonia vzhůru do vakua v úzkém rozsahu rychlostí blízkých 2,1 kilometru za sekundu, čímž fungovala jako to, co vědci popsali jako "atomové dělo". Svazek je mnohem uspořádanější než cokoli, čeho bylo dříve u muonia dosaženo, jehož doba života 2,2 mikrosekundy dlouho činila takové experimenty nepraktickými.thebrighterside+1

"Učinili jsme důležitý krok k provedení vzrušujícího experimentu," řekla profesorka ETH Zurich Anna Soter, která práci vedla. "Chceme změřit gravitační interakci mionu". Tým předpokládá, že by mohl dosáhnout přibližně jednoprocentní přesnosti při měření gravitačního zrychlení muonia po zhruba 100 dnech sběru dat, ačkoli interferometrie a systematické kontroly potřebné pro skutečné měření gravitace musí být teprve prokázány.ethz+1

Přemostění dvou pilířů fyziky

Ani jeden z experimentů neřeší dlouhodobou nekompatibilitu mezi kvantovou mechanikou a obecnou relativitou. Společně však představují rozšiřující se frontu v úsilí o testování Einsteinovy gravitace na kvantové úrovni – od běžných atomů rubidia, které potvrdily století starou předpověď, až po exotické krátkodobé částice, které nebyly gravitací nikdy dříve váženy.