To nye eksperimenter bekrefter Einsteins tyngdeprinsipp på kvantenivå

To uavhengige eksperimenter publisert denne uken i Science Advances har forsterket en av hjørnesteinene i Einsteins generelle relativitetsteori, og viser at ekvivalensprinsippet, ideen om at tyngdekraften behandler alle objekter likt, strekker seg inn i kvanteverdenen.

Et kvanteobjekt i fritt fall

I et eksperiment bygde forskere ved Ben-Gurion University of the Negev, University of Oxford og Ulm University en enhet de kaller Quantum Galileo Interferometer for å gjøre den første direkte målingen av kvantefasen akkumulert av en frittfallende atombølgepakke. Teamet kjølte ned rubidium-87-atomer til et Bose-Einstein-kondensat og brukte mikrobølgepulser til å dele hvert atoms kvantebølge i to baner: en som ble holdt i ro i forhold til jorden ved hjelp av magnetfelt, og en annen som fikk falle fritt under tyngdekraften.thebrighterside+1

Da de to bølgepakkene ble rekombinert, avslørte interferensmønsteret deres omtrent 80 radianer med akkumulert fase over mer enn fem timer med målinger, noe som stemte overens med verdien forutsagt ved å anvende ekvivalensprinsippet på kvantemekanikk. "Dette eksperimentet skyver kvantemekanikken inn i en av sine mest fascinerende grenser, tyngdekraften, og viser at forutsigelsene igjen står seg," sa fysiker Vlatko Vedral ved University of Oxford.interestingengineering+1

Atomer i bane

I et annet eksperiment testet et team ledet av Ming-Sheng Zhan ved Wuhan Institute of Physics and Mathematics det svake ekvivalensprinsippet ombord på Kinas romstasjon. Forskerne kjølte ned to rubidiumisotoper til nær det absolutte nullpunkt og slapp dem løs i et atominterferometer, der laserpulser delte hver sky i to kvanteveier før de ble rekombinert. Etter å ha samlet inn data over 280 dager i bane, viste det seg at isotopene akselererte identisk innenfor omtrent fem deler per 100 millioner, omtrent tre størrelsesordener mer presist enn noen tidligere atombasert test i mikrogravitasjon.phys+1

Baneomgivelsene ga en avgjørende fordel: kontinuerlig fritt fall rundt jorden gjorde det mulig å observere atomene mye lenger enn noe jordbasert laboratorium tillater.phys

Hva som gjenstår å besvare

Ingen av eksperimentene forener kvantemekanikk med den generelle relativitetsteorien. Resultatet fra Ben-Gurion-teamet bekrefter et spesifikt faseforhold som er i samsvar med ekvivalensprinsippet, men beviser ikke at selve tyngdekraften har kvanteegenskaper. Målingen på romstasjonen innskrenker rommet der et eventuelt avvik fra prinsippet kan gjemme seg, men lukker det ikke helt.thebrighterside+1

Begge teamene peker mot fremtidig arbeid som kan ta forskningen videre inn i mer krevende territorium. Gruppen bak Quantum Galileo Interferometer jobber mot eksperimenter med nanodiamanter, objekter med nok masse til å teste om tyngdekraftsrelatert kollaps av kvantesuperposisjoner inntreffer, slik Sir Roger Penrose har foreslått. Zhans team sier at lengre tid i fritt fall og mer stabile plattformer kan forbedre presisjonen i bane ytterligere. Inntil videre har Einsteins hundre år gamle prinsipp bestått ytterligere to tester uskadet.phys+1