Физики впервые измерили крошечный квантовый сдвиг, который объект приобретает при падении в гравитационном поле Земли. Этот эффект, предсказанный теорией относительности Эйнштейна почти столетие назад, до сих пор не удавалось наблюдать экспериментально. Результаты исследования опубликованы в журнале Science Advances, о чём сообщает Live Science.
В ходе эксперимента сверххолодные атомы рубидия помещали в суперпозицию — квантовое состояние, при котором одна частица одновременно движется по двум траекториям. Одна траектория предполагала свободное падение атома, а другая оставляла его неподвижным. При последующем объединении атомов учёные зафиксировали едва уловимое различие между этими двумя путями.
Измерение подтвердило, что принцип эквивалентности Эйнштейна, лежащий в основе общей теории относительности, сохраняет силу и в квантовом мире. Согласно этому принципу, ускорение и гравитация локально неразличимы. Классическая иллюстрация данной идеи — мысленный эксперимент с лифтом Эйнштейна, в котором человек в закрытой кабине не может определить, стоит ли лифт на Земле или ускоряется в пустом пространстве.
Для тяжёлых макроскопических объектов принцип эквивалентности проверялся с высокой точностью, однако квантовые объекты ведут себя иначе. Они проявляют волновые свойства, и каждая волна несёт фазу, определяющую положение её гребней и впадин. Теория предсказывала, что волна в свободном падении должна накапливать фазу относительно неподвижной волны, причём этот показатель растёт пропорционально кубу времени падения. Данное предсказание было сделано в 1927 году, но до сих пор не находило экспериментального подтверждения.
Команда под руководством физика Рона Фолмана из Университета имени Бен-Гуриона в Израиле охладила около 20 тысяч атомов рубидия до состояния конденсата Бозе — Эйнштейна. Атомы освобождали из магнитной ловушки и пропускали через интерферометр, расположенный под «атомным чипом» с золотыми проводами. Радио- и микроволновые импульсы переводили каждый атом в суперпозицию двух магнитных состояний, после чего одна половина атома поднималась и падала под действием гравитации, а другая оставалась неподвижной благодаря силе, компенсирующей притяжение.
Учёные отслеживали интерференционный сигнал, увеличивая время свободного падения до 2,4 миллисекунды. За 633 цикла измерений они зафиксировали 13 полных колебаний, а рост фазы соответствовал теоретической модели с точностью около 2,5 процента. Как отметил соавтор исследования Влатко Ведрал из Оксфордского университета, фаза между двумя элементами суперпозиции, предсказанная ещё в 1927 году, наконец наблюдается впервые. Результат демонстрирует, что на данном уровне точности квантовая физика и гравитация не противоречат друг другу, а принцип эквивалентности полностью согласуется с квантовой механикой.