Två nya experiment bekräftar Einsteins gravitationsprincip på kvantnivå

Två oberoende experiment som publicerades denna vecka i Science Advances har stärkt en av hörnstenarna i Einsteins allmänna relativitetsteori. De visar att ekvivalensprincipen, tanken att gravitationen behandlar alla objekt lika, även gäller i kvantvärlden.

Ett kvantobjekt i fritt fall

I ett experiment byggde forskare vid Ben-Gurion University of the Negev, University of Oxford och Ulm University en apparat som de kallar Quantum Galileo Interferometer för att göra den första direkta mätningen av den kvantfas som ackumuleras av ett fritt fallande atomvågpaket. Teamet kylde rubidium-87-atomer till ett Bose-Einstein-kondensat och använde mikrovågspulser för att dela upp varje atoms kvantvåg i två banor: en som hölls stilla i förhållande till jorden med hjälp av magnetfält, och en som fick falla fritt under gravitationen.thebrighterside+1

När de två vågpaketen återförenades avslöjade deras interferensmönster cirka 80 radianer av ackumulerad fas under mer än fem timmars mätningar. Detta stämde överens med det värde som förutsägs när ekvivalensprincipen tillämpas på kvantmekanik. "Detta experiment flyttar fram kvantmekanikens positioner mot en av dess mest intressanta gränser, gravitationen, och visar att dess förutsägelser återigen håller", sade fysikern Vlatko Vedral vid University of Oxford.interestingengineering+1

Atomer i omloppbana

I ett annat experiment testade ett team ledt av Ming-Sheng Zhan vid Wuhan Institute of Physics and Mathematics den svaga ekvivalensprincipen ombord på Kinas rymdstation. Forskarna kylde två rubidiumisotoper till nära den absoluta nollpunkten och släppte dem i en atominterferometer, där laserpulser delade upp varje moln i två kvantbanor innan de återförenades. Efter att ha samlat in data under 280 dagar i omloppbana visade det sig att isotoperna accelererade identiskt inom ramen för ungefär fem delar på 100 miljoner, vilket är ungefär tre storleksordningar mer exakt än något tidigare atombaserat test i mikrogravitation.phys+1

Miljön i omloppbana gav en avgörande fördel: kontinuerligt fritt fall runt jorden gjorde det möjligt att observera atomerna under mycket längre tid än vad något jordbaserat laboratorium tillåter.phys

Vad som fortfarande är obesvarat

Inget av experimenten förenar kvantmekanik med den allmänna relativitetsteorin. Ben-Gurion-teamets resultat bekräftar ett specifikt fasförhållande som stämmer överens med ekvivalensprincipen, men bevisar inte att gravitationen i sig har kvantegenskaper. Mätningen på rymdstationen minskar utrymmet där eventuella avvikelser från principen kan dölja sig, men stänger det inte helt.thebrighterside+1

Båda teamen pekar på framtida arbete som kan ta forskningen vidare till mer krävande områden. Gruppen bakom Quantum Galileo Interferometer arbetar mot experiment med diamantnanopartiklar, objekt som är tillräckligt massiva för att testa om gravitationsrelaterad kollaps av kvantsuperpositioner inträffar, vilket föreslagits av Sir Roger Penrose. Zhans team säger att längre tider i fritt fall och tystare plattformar skulle kunna förbättra precisionen i omloppbana ytterligare. Tills vidare har Einsteins hundraåriga princip klarat ytterligare två tester oskadd.phys+1