ТПС: Експериментът с падащ атом на израелски учени сочи към бъдещето на квантовата сензорна система

В продължение на повече от век както общата теория на относителността на Алберт Айнщайн, така и квантовата механика са преминали успешно безброй проверки, но физиците все още не успяват да съвместят двете теории. Сега учени от Израел и други страни са направили нова стъпка към разбирането на взаимодействието между тях, като са измерили пряко как гравитацията променя квантов обект при свободното му падане, съобщи израелската новинарска агенция ТПС.
Откритието може в бъдеще да допринесе за създаването на по-чувствителни квантови сензори за измерване на гравитацията и ускорението, с потенциални приложения в геодезията, геоложкото картографиране и навигацията без използване на ДжиПиЕс.
Постижението не се състои просто в измерването на гравитацията с помощта на атоми в квантово състояние, защото подобни експерименти са правени и преди. Този път изследователите са измерили пряко конкретна промяна във „фазата“ на квантовата вълна при свободното падане на атом под въздействието на гравитацията, който ефект е предвиден от принципа на еквивалентността на Айнщайн.
Експериментът е ръководен от Университета „Бен Гурион“ в Негев, Университета в Улм и Оксфордския университет, като сред участвалите изследователи е и носителят на Нобелова награда за физика сър Роджър Пенроуз. Резултатите са публикувани в рецензираното научно списание „Сайънс Адвансес" (Science Advances).
„Квантовата механика ни казва, че една частица е същевременно и вълна“, заяви пред израелската новинарска агенция проф. Рон Фолман от Института за нанонауки и нанотехнологии „Илзе Кац“ към Университета „Бен-Гурион“. „Вълните - независимо дали са морски, звукови, светлинни или квантови - притежават характеристика, наречена фаза.“
„Макар ускорението на свободно падащи тела да се измерва още от времето на Галилей, никой досега не е измервал квантовите характеристики на свободно падащ квантов обект и по-конкретно как неговата фаза се променя вследствие на свободното падане“, каза той.
ЕДИН ПАДАЩ АТОМ, ДВА ПЪТЯ
Принципът на еквивалентността, който е в основата на общата теория на относителността, гласи, че за наблюдател в свободно падане ефектите на гравитацията могат локално да изчезнат - например човек, който пада свободно в асансьор, би изпитал безтегловност. Принципът е проверен с обикновена материя с изключително висока точност. Квантовите обекти обаче могат да се държат като вълни и на практика да следват два пътя едновременно.
„В нашия експеримент използвахме това свойство, за да поставим един атом едновременно на две места и по две различни траектории. По едната той беше в свободно падане, а по другата оставаше неподвижен спрямо Земята, като второто състояние служеше за отправна точка“, обясни Фолман.
Изследователите охладили облаци от рубидиеви атоми до температури малко над абсолютната нула и ги манипулирали в близост до специално разработен атомен чип. Магнитни полета задържали едната част от атомната вълна неподвижна, докато другата била оставена да пада свободно. След това двете части били събрани отново и вълните им интерферирали, което позволило на учените да измерят изключително малката разлика в квантовата фаза, натрупана между падащата и неподвижната част. Измереното фазово отместване съответствало на стойността, предвидена от принципа на еквивалентността на Айнщайн за квантов обект.
Според Фолман експериментът е важен, тъй като учените все още не разполагат с теория, която да обяснява съвместното действие на гравитацията и квантовата механика. „Доказано е, че и двете работят, но учените така и не са успели да формулират теория, която да описва как те действат заедно в една и съща Вселена“, заяви той пред ТПС.
Експериментът не показва, че самата гравитация има квантова природа, нито установява единна теория, обединяваща гравитацията и квантовата механика. Вместо това той показва, че при изследваните условия принципът на еквивалентността на Айнщайн е съвместим с квантовата суперпозиция. Експериментът също така не проверява хипотезата на Пенроуз, според която квантовата механика може да престане да действа по познатия ни начин при достатъчно масивни обекти, задържани достатъчно дълго в квантова суперпозиция.
КЪМ НОВА ФИЗИКА
Изследователите обаче се надяват да приложат метода и при значително по-тежки обекти. „Нашият експеримент отвори вратата за бъдещи, по-сложни експерименти, които да изследват границата между двете теории“, заяви Фолман.
Екипът вече разработва експеримент, при който вместо атом ще бъде използван нанодиамант. Поставянето на достатъчно масивен обект в квантова суперпозиция би позволило на изследователите да проучат дали квантовата механика и гравитацията се държат по различен начин при мащаб, при който взаимодействието между тях става по-осезаемо. „След като бъде поставен в суперпозиция, той ще създаде суперпозиция и на самото пространство-време и именно тук може да успеем да наблюдаваме напълно нова физика“, каза Фолман.
Ако подобни експерименти се окажат успешни, те биха могли да предложат нови начини за изследване на все още неразрешения въпрос за връзката между квантовата механика и гравитацията. Изследователите виждат и по-дългосрочен потенциал за използване на разработените методи в квантови сензори, способни да измерват гравитацията и ускорението с изключително висока точност, включително за геодезия, геоложко картографиране и навигация на места, където няма достъп до ДжиПиЕс сигнали.
(Тази информация се разпространява по споразумение между БТА и ТПС)