Δύο πειράματα ελέγχουν τη βαρύτητα του Αϊνστάιν σε κβαντική κλίμακα

Σε δύο σημαντικές εξελίξεις που αναφέρθηκαν αυτόν τον μήνα, φυσικοί έλεγξαν την αρχή της ισοδυναμίας του Αϊνστάιν με τρόπους που δεν είχαν επιχειρηθεί ποτέ στο παρελθόν: η μία ομάδα μετρώντας την κβαντική φάση ενός ατόμου σε ελεύθερη πτώση και η άλλη κατασκευάζοντας μια δέσμη εξωτικών σωματιδίων που θα μπορούσε να επεκτείνει τον έλεγχο σε μια εντελώς νέα κατηγορία ύλης.

Ένα κβαντικό κύμα σε πτώση επιβεβαιώνει τον Αϊνστάιν

Μια διεθνής ομάδα με επικεφαλής το Πανεπιστήμιο Ben-Gurion του Negev, το Πανεπιστήμιο του Ulm και το Πανεπιστήμιο της Οξφόρδης μέτρησε για πρώτη φορά απευθείας την κβαντική φάση που αποκτά ένα αντικείμενο σε ελεύθερη πτώση, διαπιστώνοντας ότι συμφωνεί με την πρόβλεψη που απορρέει από την αρχή της ισοδυναμίας του Αϊνστάιν. Η μελέτη, που δημοσιεύθηκε στις 2 Σεπτεμβρίου στο Science Advances, περιλαμβάνει τον νομπελίστα Sir Roger Penrose μεταξύ των συντακτών της.science+2

Χρησιμοποιώντας μια συσκευή που ονομάζεται Κβαντικό Συμβολόμετρο του Γαλιλαίου, οι ερευνητές χώρισαν σύννεφα ατόμων ρουβιδίου, ψυγμένα κοντά στο απόλυτο μηδέν, σε κβαντικές υπερθέσεις, στέλνοντας το ένα μέρος του κύματος κάθε ατόμου σε ελεύθερη πτώση, ενώ το άλλο παρέμενε στάσιμο με τη βοήθεια μαγνητικού πεδίου. Όταν τα δύο μέρη ενώθηκαν ξανά, το μοτίβο συμβολής αποκάλυψε μια διαφορά φάσης συμβατή με την πρόβλεψη του Αϊνστάιν ότι οι επιδράσεις της βαρύτητας εξαφανίζονται για έναν παρατηρητή σε ελεύθερη πτώση.scitechdaily+2

"Αυτό το πείραμα ωθεί την κβαντομηχανική σε ένα από τα πιο ενδιαφέροντα σύνορά της, τη βαρύτητα, και δείχνει ότι, για άλλη μια φορά, οι προβλέψεις της ισχύουν", δήλωσε ο συν-συγγραφέας της μελέτης Vlatko Vedral από το Πανεπιστήμιο της Οξφόρδης. Ο επικεφαλής συγγραφέας Ron Folman από το Πανεπιστήμιο Ben-Gurion χαρακτήρισε το έργο "μια μοναδική εργασία, με την έννοια ότι συνδυάζει ένα δύσκολο πείραμα με μια θεωρητική ερμηνεία ευρείας εμβέλειας" σχετικά με την ενοποίηση της βαρύτητας και της κβαντικής θεωρίας.ox+1

Το πείραμα δεν εξετάζει αν η ίδια η βαρύτητα είναι κβαντική. Επίσης, δεν φτάνει στη μάζα ή τις χρονικές κλίμακες που απαιτούνται για να διερευνηθεί η πρόταση του Penrose ότι η κβαντομηχανική μπορεί να καταρρέει για αντικείμενα με επαρκή μάζα, αν και η ομάδα εργάζεται ήδη προς αυτόν τον στόχο χρησιμοποιώντας βαρύτερα σωματίδια, όπως νανοδιαμάντια.scitechdaily

Ένα ατομικό κανόνι για εξωτική ύλη

Ανεξάρτητα, ερευνητές στο ETH Zurich και το Paul Scherrer Institute ανέφεραν στο Nature Physics στις 14 Σεπτεμβρίου ότι δημιούργησαν μια αυστηρά ελεγχόμενη δέσμη μυονίου, ενός εξωτικού ατόμου του οποίου η μάζα προέρχεται σχεδόν εξ ολοκλήρου από ένα μυόνιο, ένα βαρύτερο ξάδερφο του ηλεκτρονίου. Κανείς δεν έχει ελέγξει ποτέ άμεσα αν η βαρύτητα δρα με τον ίδιο τρόπο σε τέτοια σωματίδια δεύτερης γενιάς.nature+1

Η ομάδα εκτόξευσε αντιμυόνια σε ένα στρώμα υπερρευστού ηλίου πάχους δύο χιλιοστών, ψυγμένο στους 0,2 βαθμούς Kelvin. Το υγρό εξώθησε τα παραγόμενα άτομα μυονίου προς τα πάνω σε κενό με ένα στενό εύρος ταχυτήτων κοντά στα 2,1 χιλιόμετρα ανά δευτερόλεπτο, λειτουργώντας ως αυτό που οι ερευνητές περιέγραψαν ως "ατομικό κανόνι". Η δέσμη είναι πολύ πιο οργανωμένη από οτιδήποτε είχε επιτευχθεί προηγουμένως για το μυόνιο, του οποίου η διάρκεια ζωής των 2,2 μικροδευτερολέπτων καθιστούσε τέτοια πειράματα ανέφικτα.thebrighterside+1

"Κάναμε ένα σημαντικό βήμα προς την πραγματοποίηση ενός συναρπαστικού πειράματος", δήλωσε η καθηγήτρια του ETH Zurich, Anna Soter, η οποία ηγήθηκε της εργασίας. "Θέλουμε να μετρήσουμε τη βαρυτική αλληλεπίδραση του μυονίου". Η ομάδα εκτιμά ότι θα μπορούσε να φτάσει σε ακρίβεια περίπου 1% στη βαρυτική επιτάχυνση του μυονίου μετά από περίπου 100 ημέρες συλλογής δεδομένων, αν και η συμβολομετρία και οι συστηματικοί έλεγχοι που απαιτούνται για μια πραγματική μέτρηση βαρύτητας δεν έχουν ακόμη αποδειχθεί.ethz+1

Γεφυρώνοντας τους δύο πυλώνες της φυσικής

Κανένα από τα δύο πειράματα δεν επιλύει τη μακροχρόνια ασυμβατότητα μεταξύ κβαντομηχανικής και γενικής σχετικότητας. Ωστόσο, μαζί, σηματοδοτούν ένα διευρυνόμενο μέτωπο στην προσπάθεια ελέγχου της βαρύτητας του Αϊνστάιν σε κβαντική κλίμακα, από τα συνήθη άτομα ρουβιδίου που επιβεβαίωσαν μια πρόβλεψη ενός αιώνα, έως τα εξωτικά βραχύβια σωματίδια που δεν έχουν ζυγιστεί ποτέ από τη βαρύτητα.