Kaksi koetta testaavat Einsteinin painovoimateoriaa kvanttitasolla

Tässä kuussa julkaistuissa kahdessa tutkimuksessa fyysikot ovat testanneet Einsteinin ekvivalenssiperiaatetta tavoilla, joita ei ole aiemmin kokeiltu. Toinen ryhmä mittasi vapaasti putoavan atomin kvanttivaihetta, ja toinen rakensi eksoottisen hiukkassuihkun, joka voi laajentaa testit aivan uudenlaiseen aineeseen.

Putoava kvanttiaalto vahvistaa Einsteinin teorian

Kansainvälinen tutkijaryhmä, jota johtivat Ben-Gurionin yliopisto, Ulmin yliopisto ja Oxfordin yliopisto, on ensimmäistä kertaa mitannut suoraan vapaassa pudotuksessa olevan kohteen kvanttivaiheen. Tulokset vastaavat Einsteinin ekvivalenssiperiaatteesta johdettua ennustetta. Science Advances -lehdessä 2. syyskuuta julkaistuun tutkimukseen osallistui yhtenä kirjoittajana myös Nobel-palkittu Sir Roger Penrose.science+2

Tutkijat käyttivät Quantum Galileo Interferometer -laitteistoa jakaakseen lähelle absoluuttista nollapistettä jäähdytettyjä rubidiumatomipilviä kvanttisuperpositioihin. He lähettivät osan atomien aallosta vapaaseen pudotukseen samalla kun toinen osa pysyi paikallaan magneettikentän avulla. Kun puolikkaat yhdistyivät, interferenssikuvio paljasti vaihe-eron, joka on sopusoinnussa Einsteinin ennusteen kanssa, jonka mukaan painovoiman vaikutukset katoavat vapaasti putoavalle havaitsijalle.scitechdaily+2

"Tämä koe vie kvanttimekaniikan yhdelle sen kiehtovimmista rajoista, painovoimaan, ja osoittaa, että sen ennusteet pitävät jälleen paikkansa", sanoo tutkimuksen toinen kirjoittaja Vlatko Vedral Oxfordin yliopistosta. Pääkirjoittaja Ron Folman Ben-Gurionin yliopistosta kuvailee työtä ainutlaatuiseksi, koska se yhdistää vaativan kokeen ja pitkälle menevän teoreettisen tulkinnan painovoiman ja kvanttiteorian yhdistämisestä.ox+1

Koe ei testaa, onko itse painovoima kvanttiluonteinen. Se ei myöskään saavuta massoja tai aikaskaaloja, joita tarvittaisiin Penrosen ehdotuksen testaamiseen siitä, että kvanttimekaniikka saattaisi lakata toimimasta riittävän massiivisilla kohteilla, vaikka ryhmä työskenteleekin jo tämän tavoitteen eteen raskaammilla hiukkasilla, kuten nanodiamanteilla.scitechdaily

Atomitykki eksoottiselle aineelle

Erillisessä tutkimuksessa ETH Zürichin ja Paul Scherrer -instituutin tutkijat raportoivat Nature Physics -lehdessä 14. syyskuuta luoneensa tarkasti kontrolloidun muoniumsuihkun. Muonium on eksoottinen atomi, jonka massa koostuu lähes kokonaan muonista, joka on elektronin raskaampi sukulainen. Kukaan ei ole aiemmin suoraan testannut, vaikuttaako painovoima samalla tavalla näihin toisen sukupolven hiukkasiin.nature+1

Tutkijaryhmä ampui antimuoneja kahden millimetrin paksuiseen, noin 0,2 kelvinin lämpötilaan jäähdytettyyn suprajuoksevaan heliumkerrokseen. Neste sinkosi syntyneet muoniumatomit ylöspäin tyhjiöön kapealla nopeusalueella lähellä 2,1 kilometriä sekunnissa, toimien tutkijoiden kuvaamana "atomitykkinä". Suihku on huomattavasti hallitumpi kuin mikään aiemmin saavutettu muoniumilla, jonka 2,2 mikrosekunnin elinikä on pitkään tehnyt tällaisista kokeista epäkäytännöllisiä.thebrighterside+1

"Olemme ottaneet tärkeän askeleen kohti jännittävän kokeen toteuttamista", sanoo työtä johtanut ETH Zürichin professori Anna Soter. "Haluamme mitata muonin painovoimavuorovaikutusta". Ryhmä arvioi, että se voisi saavuttaa noin yhden prosentin tarkkuuden muoniumin painovoimakiihdytyksessä noin 100 päivän tiedonkeruun jälkeen, vaikka interferometriaa ja järjestelmällisiä kontrolleja, joita varsinainen painovoiman mittaus vaatii, ei ole vielä osoitettu.ethz+1

Fysiikan kahden pilarin yhdistäminen

Kumpikaan koe ei ratkaise kvanttimekaniikan ja yleisen suhteellisuusteorian välistä pitkäaikaista ristiriitaa. Yhdessä ne kuitenkin merkitsevät laajenevaa rintamaa pyrkimyksissä testata Einsteinin painovoimateoriaa kvanttitasolla: tavallisista rubidiumatomeista, jotka vahvistivat vuosisadan vanhan ennusteen, aina eksoottisiin lyhytikäisiin hiukkasiin, joita ei ole aiemmin punnittu painovoiman avulla.