To eksperimenter tester Einsteins gravitasjon i kvanteskala

I to vitenskapelige fremskritt rapportert denne måneden har fysikere testet Einsteins ekvivalensprinsipp på måter som aldri før er forsøkt: ett team ved å måle kvantefasen til et fritt fallende atom, det andre ved å bygge en eksotisk partikkelstråle som kan utvide testen til en helt ny klasse materie.

En fallende kvantebølge bekrefter Einstein

Et internasjonalt team ledet av Ben-Gurion University of the Negev, University of Ulm og University of Oxford har for første gang direkte målt kvantefasen som erverves av et objekt i fritt fall, og funnet at den samsvarer med prediksjonen utledet fra Einsteins ekvivalensprinsipp. Studien, publisert 2. september i Science Advances, inkluderte nobelprisvinner Sir Roger Penrose blant medforfatterne.science+2

Ved hjelp av et apparat kalt Quantum Galileo Interferometer delte forskerne skyer av rubidiumatomer avkjølt nær det absolutte nullpunkt i kvantesuperposisjoner, og sendte den ene delen av hvert atoms bølge i fritt fall mens den andre ble holdt stasjonær med et magnetfelt. Da de to halvdelene ble forent, avslørte interferensmønsteret en faseforskjell som er konsistent med Einsteins prediksjon om at gravitasjonens effekter forsvinner for en fritt fallende observatør.scitechdaily+2

"Dette eksperimentet dytter kvantemekanikken inn i en av dens mest fascinerende grenser, gravitasjon, og viser at dens prediksjoner nok en gang holder stikk," sa medforfatter Vlatko Vedral ved University of Oxford. Hovedforfatter Ron Folman ved Ben-Gurion University kalte arbeidet "en unik artikkel, i den forstand at den kombinerer et krevende eksperiment med en vidtrekkende teoretisk tolkning" om å forene gravitasjon og kvanteteori.ox+1

Eksperimentet tester ikke om selve gravitasjonen er kvantemekanisk. Det når heller ikke massen eller tidsskalaene som trengs for å undersøke Penroses forslag om at kvantemekanikken kan bryte sammen for tilstrekkelig massive objekter, selv om gruppen allerede jobber mot det målet ved bruk av tyngre partikler som nanodiamanter.scitechdaily

En atomkanon for eksotisk materie

Separat rapporterte forskere ved ETH Zürich og Paul Scherrer Institute i Nature Physics den 14. september at de har skapt en strengt kontrollert stråle av muonium, et eksotisk atom hvis masse nesten utelukkende kommer fra et muon, en tyngre fetter av elektronet. Ingen har noen gang direkte testet om gravitasjon virker på samme måte på slike andre-generasjons partikler.nature+1

Teamet skjøt antimuoner inn i et to millimeter tykt lag med superfluid helium avkjølt til omtrent 0,2 kelvin. Væsken presset de resulterende muoniumatomene oppover inn i vakuum ved et smalt hastighetsområde nær 2,1 kilometer i sekundet, og fungerte som det forskerne beskrev som en "atomkanon". Strålen er langt mer ordnet enn noe som tidligere er oppnådd for muonium, hvis levetid på 2,2 mikrosekunder lenge hadde gjort slike eksperimenter upraktiske.thebrighterside+1

"Vi har tatt et viktig skritt mot å utføre et spennende eksperiment," sa ETH Zürich-professor Anna Soter, som ledet arbeidet. "Vi ønsker å måle den gravitasjonelle interaksjonen til muonet". Teamet anslår at de kan nå omtrent én prosent presisjon på muoniums gravitasjonelle akselerasjon etter omtrent 100 dager med datainnsamling, selv om interferometrien og de systematiske kontrollene som kreves for en faktisk gravitasjonsmåling ennå ikke er demonstrert.ethz+1

Brobygging mellom fysikkens to pilarer

Ingen av eksperimentene løser den langvarige uforenligheten mellom kvantemekanikk og generell relativitetsteori. Men sammen markerer de en bredere front i arbeidet med å teste Einsteins gravitasjon på kvanteskala: fra vanlige rubidiumatomer som bekreftet en hundre år gammel prediksjon, til eksotiske kortlivede partikler som aldri før har blitt veid av gravitasjon.