Två experiment testar Einsteins gravitation på kvantskala

I två vetenskapliga framsteg som rapporterats denna månad har fysiker testat Einsteins ekvivalensprincip på sätt som aldrig tidigare prövats: ett team genom att mäta kvantfasen hos en fritt fallande atom, det andra genom att bygga en exotisk partikelstråle som kan utöka testet till en helt ny klass av materia.

En fallande kvantvåg bekräftar Einstein

Ett internationellt team lett av Ben-Gurion University of the Negev, University of Ulm och University of Oxford har för första gången direkt mätt kvantfasen hos ett objekt i fritt fall, och funnit att den stämmer överens med förutsägelsen från Einsteins ekvivalensprincip. Studien, som publicerades den 2 september i Science Advances, inkluderade nobelpristagaren Sir Roger Penrose bland medförfattarna.science+2

Med hjälp av en apparat kallad Quantum Galileo Interferometer delade forskarna upp moln av rubidiumatomer, kylda nära den absoluta nollpunkten, i kvantsuperpositioner. De skickade en del av varje atoms våg i fritt fall medan den andra hölls stationär med ett magnetfält. När de två halvorna återförenades avslöjade interferensmönstret en fasskillnad som är förenlig med Einsteins förutsägelse om att gravitationens effekter försvinner för en fritt fallande observatör.scitechdaily+2

"Detta experiment för in kvantmekaniken i en av dess mest fascinerande gränser, gravitationen, och visar att dess förutsägelser återigen håller", säger medförfattaren Vlatko Vedral vid University of Oxford. Huvudförfattaren Ron Folman vid Ben-Gurion University kallade arbetet "en unik artikel, i den meningen att den kombinerar ett svårt experiment med en långtgående teoretisk tolkning" om att förena gravitation och kvantteori.ox+1

Experimentet testar inte om själva gravitationen är kvantmekanisk. Det når inte heller den massa eller de tidsskalor som krävs för att undersöka Penroses förslag om att kvantmekaniken kan bryta samman för tillräckligt massiva objekt, även om gruppen redan arbetar mot det målet med tyngre partiklar som nanodiamanter.scitechdaily

En atomkanon för exotisk materia

Separat rapporterade forskare vid ETH Zürich och Paul Scherrer Institute i Nature Physics den 14 september att de har skapat en strikt kontrollerad stråle av muonium, en exotisk atom vars massa nästan helt kommer från en muon, en tyngre kusin till elektronen. Ingen har tidigare direkt testat om gravitationen verkar på samma sätt på sådana andra generationens partiklar.nature+1

Teamet sköt antimuoner in i ett två millimeter tjockt lager av superfluid helium kylt till cirka 0,2 kelvin. Vätskan pressade ut de resulterande muoniumatomerna uppåt i vakuum vid ett smalt hastighetsintervall nära 2,1 kilometer per sekund, vilket fungerade som vad forskarna beskrev som en "atomkanon". Strålen är långt mer ordnad än något som tidigare uppnåtts för muonium, vars livslängd på 2,2 mikrosekunder länge gjort sådana experiment opraktiska.thebrighterside+1

"Vi har tagit ett viktigt steg mot att utföra ett spännande experiment", säger ETH Zürich-professorn Anna Soter, som ledde arbetet. "Vi vill mäta muonets gravitationella interaktion". Teamet beräknar att de kan nå ungefär en procents precision på muoniums gravitationella acceleration efter cirka 100 dagars datainsamling, även om interferometrin och de systematiska kontroller som krävs för en faktisk gravitationsmätning ännu inte har demonstrerats.ethz+1

Brobygge mellan fysikens två pelare

Inget av experimenten löser den långvariga oförenligheten mellan kvantmekanik och allmän relativitetsteori. Men tillsammans markerar de en bredare front i arbetet med att testa Einsteins gravitation på kvantskala: från vanliga rubidiumatomer som bekräftade en hundra år gammal förutsägelse, till exotiska kortlivade partiklar som aldrig tidigare vägts av gravitation.