Fysikere har observert Einsteins gravitasjon i kvanteverdenen for første gang

Et internasjonalt team av fysikere har for første gang direkte observert en gravitasjonseffekt forutsagt av Einsteins ekvivalensprinsipp på kvantenivå. Dette gir en sjelden eksperimentell bro mellom to av fysikkens mest vellykkede, men uforenlige teorier.

Forskningen, som ble publisert onsdag 2. september i tidsskriftet Science Advances, brukte ultrakalde rubidiumatomer til å måle hvordan tyngdekraften påvirker kvantefasen til et fallende atom, og fant at resultatene stemte overens med forutsigelser fra den generelle relativitetsteorien.sciencedaily+1

Splitter atomer for å teste Einstein

Eksperimentet ble ledet av Ron Folman ved Ben-Gurion-universitetet i Negev, sammen med samarbeidspartnere ved University of Oxford, Universitetet i Ulm og andre institusjoner. De brukte et instrument kalt Quantum Galileo-interferometeret. Teamet kjølte ned skyer av rubidiumatomer til like over det absolutte nullpunkt og plasserte dem nær en spesialdesignet atomchip. Ved hjelp av mikrobølgepulser satte de atomene i en kvantesuperposisjon, en tilstand der hvert atom i praksis fulgte to baner samtidig.sciencedaily

Langs den ene banen motvirket magnetfelt generert av chippen tyngdekraften, slik at atomet ble holdt i ro. Langs den andre banen ble atomet skutt oppover av en magnetisk puls og deretter sluppet i fritt fall. Da de to banene ble gjenforent, avslørte det resulterende interferensmønsteret et målbart skift i kvantefasen, noe som samsvarte med det Einsteins ekvivalensprinsipp ville forutsi for et kvanteobjekt.space+1

"Dette er en unik artikkel, i den forstand at den kombinerer et vanskelig eksperiment med en vidtrekkende teoretisk tolkning av et av de mest fundamentale spørsmålene i fysikken," sa Folman i en uttalelse.sciencedaily

Hva det beviser, og hva det ikke beviser

Teamet, som inkluderer den nobelprisvinnende fysikeren Sir Roger Penrose, var nøye med å definere grensene for hva de har oppnådd. Resultatet forener ikke kvantemekanikk og generell relativitetsteori, og det viser heller ikke at tyngdekraften i seg selv er kvantisert. Det viser at Einsteins ekvivalensprinsipp forblir kompatibelt med kvanteoppførsel under de testede forholdene.discovermagazine+1

"Vi har ingen konsistent teori som forteller oss hvorfor kvantefysikken skulle svikte," sa medforfatter Vlatko Vedral ved University of Oxford. "Dette eksperimentet skyver kvantemekanikken inn i en av sine mest spennende grenser, tyngdekraften, og viser at forutsigelsene nok en gang holder stikk."sciencedaily+1

En lang vei videre

Penrose har lenge argumentert for at kvantemekanikken kan bryte sammen når tilstrekkelig massive objekter holdes i superposisjon over lengre perioder. Det nåværende eksperimentet involverte ikke objekter som var store nok til å teste den hypotesen, men forskerne håper på sikt å utvide teknikken til tyngre objekter, inkludert nanodiamanter. Eksperimenter med dette målet er allerede i gang ved Ben-Gurion-universitetet.sciencedaily