Tvær tilraunir prófa þyngdarafl Einsteins á skammtafræðilegum mælikvarða

Í tveimur framförum sem greint var frá í þessum mánuði hafa eðlisfræðingar prófað jafngildisreglu Einsteins á vegu sem aldrei hafa verið reyndir áður. Annars vegar með því að mæla skammtafasa frjálslega fallandi atóms og hins vegar með því að smíða framandi agnageisla sem gæti útvíkkað prófunina yfir í nýjan flokk efnis.

Fallandi skammtaalda staðfestir Einstein

Alþjóðlegt teymi undir forystu Ben-Gurion háskólans í Negev, Ulm háskólans og Oxford háskólans hefur í fyrsta sinn mælt beint skammtafasa hlutar í frjálsu falli og komist að því að hann passar við spá sem leidd er af jafngildisreglu Einsteins. Rannsóknin, sem birtist 2. september í Science Advances, innihélt Nóbelsverðlaunahafann Sir Roger Penrose sem einn af meðhöfundum.science+2

Með því að nota tæki sem kallast Quantum Galileo Interferometer, skiptu vísindamennirnir skýjum af rubidium-atómum, sem kæld voru nálægt alkul, í skammta-yfirsetu (superposition). Þeir sendu annan hluta hverrar atómbylgju í frjálst fall á meðan hinn var haldið kyrrum með segulsviði. Þegar helmingarnir sameinuðust leiddi truflanamynstrið í ljós fasa-mun sem samræmist spá Einsteins um að áhrif þyngdaraflsins hverfi fyrir áhorfanda í frjálsu falli.scitechdaily+2

"Þessi tilraun ýtir skammtafræðinni inn á eitt af hennar forvitnilegasta landamæri, þyngdaraflið, og sýnir að spár hennar standast enn og aftur," sagði Vlatko Vedral, meðhöfundur rannsóknarinnar við Oxford háskóla. Aðalhöfundurinn Ron Folman við Ben-Gurion háskólann kallaði verkið "einstaka grein, að því leyti að hún sameinar erfiða tilraun og víðtæka fræðilega túlkun" um sameiningu þyngdarafls og skammtafræði.ox+1

Tilraunin prófar ekki hvort þyngdaraflið sjálft sé skammtafræðilegt. Hún nær heldur ekki þeim massa eða tímaskala sem þarf til að kanna tillögu Penrose um að skammtafræði gæti brotnað niður fyrir nægilega massamikla hluti, þótt hópurinn vinni nú þegar að því markmiði með þyngri ögnum eins og nanódémöntum.scitechdaily

Atómfallbyssa fyrir framandi efni

Í annarri rannsókn greindu vísindamenn við ETH Zurich og Paul Scherrer stofnunina frá því í Nature Physics þann 14. september að þeir hefðu búið til þéttstýrðan geisla af muonium, framandi atómi þar sem massinn kemur nánast eingöngu frá muon-ögn, sem er þyngri frændi rafeindarinnar. Enginn hefur áður prófað beint hvort þyngdaraflið virki eins á slíkar annarrar kynslóðar agnir.nature+1

Teymið skaut antimuons inn í tveggja millimetra lag af ofurfljótandi helíum sem var kælt niður í um 0,2 kelvin. Vökvinn rak muonium-atómin sem mynduðust upp á við inn í lofttæmi á þröngu hraðabili nálægt 2,1 kílómetra á sekúndu, sem virkaði eins og vísindamennirnir lýstu sem "atómfallbyssu". Geislinn er mun skipulagðari en nokkuð sem áður hefur náðst fyrir muonium, en 2,2 míkrósekúndna líftími þess hefur lengi gert slíkar tilraunir óframkvæmanlegar.thebrighterside+1

"Við höfum tekið mikilvægt skref í átt að því að framkvæma spennandi tilraun," sagði Anna Soter, prófessor við ETH Zurich, sem stýrði verkinu. "Við viljum mæla þyngdaraflsvíxlverkun muon-agnarinnar". Teymið áætlar að það gæti náð um eins prósents nákvæmni í þyngdarhröðun muonium eftir um 100 daga gagnasöfnun, þótt truflanamælingar og kerfisbundnar stýringar sem þarf fyrir raunverulega þyngdaraflsmælingu eigi enn eftir að sýna fram á.ethz+1

Að brúa tvær stoðir eðlisfræðinnar

Hvorug tilraunin leysir langvarandi ósamrýmanleika milli skammtafræði og almennu afstæðiskenningarinnar. En saman marka þær breiðari víglínu í viðleitni til að prófa þyngdarafl Einsteins á skammtafræðilegum mælikvarða, allt frá venjulegum rubidium-atómum sem staðfestu aldagamla spá, til framandi skammlífra agna sem aldrei hafa verið vigtaðar með þyngdarafli yfirhöfuð.