Галилей, согласно знаменитому рассказу, бросал тела с Пизанской башни, чтобы разобраться со свободным падением. Спустя несколько столетий физики повторили похожую идею в квантовом мире: одну часть атомной волны оставили «висеть» над Землёй, вторую отпустили падать, а затем снова свели обе части вместе. Интерференция позволила впервые напрямую измерить изменение квантовой фазы свободно падающего объекта, связанное с принципом эквивалентности Эйнштейна.
Международная группа под руководством специалистов Университета Бен-Гуриона в Негеве, Ульмского университета и Оксфордского университета описала эксперимент в журнале Science Advances. Среди авторов работы оказался лауреат Нобелевской премии по физике Роджер Пенроуз. Результаты показывают, что в проверенном режиме принцип эквивалентности согласуется с поведением квантовой материи.
Принцип эквивалентности лежит в основе общей теории относительности. В упрощённом виде принцип говорит, что локально свободное падение неотличимо от движения в системе отсчёта без гравитации. Человек в свободно падающем лифте ощущал бы невесомость, поскольку пол, стены и сам человек ускорялись бы одинаково. На поверхности Земли ситуация другая: грунт не даёт телу падать и создаёт направленную вверх опорную силу.
Физики много раз проверяли принцип эквивалентности с обычными телами и уже применяли квантовые частицы для измерения гравитации. Например, атомные интерферометры позволяли сравнивать ускорение свободного падения разных изотопов рубидия с чрезвычайно высокой точностью. В эксперименте 2020 года исследователи проверили принцип эквивалентности на уровне порядка 10-12. Новая работа решает другую задачу: физики измерили не само ускорение атомов, а изменение фазы волновой функции во время свободного падения.
Для измерения команда построила устройство Quantum Galileo Interferometer, или квантовый интерферометр Галилея. Эксперимент проводили примерно с 20 000 атомов рубидия-87, охлаждённых почти до абсолютного нуля. Холод позволил сильно замедлить движение частиц и точно управлять атомными волнами в вакуумной камере рядом со специальным атомным чипом.
Микроволновые импульсы переводили атом в квантовую суперпозицию, при которой волновая функция разделялась на два пакета с разными траекториями. Одну часть физики удерживали неподвижно относительно лаборатории при помощи магнитного поля, компенсировавшего земное притяжение. Вторую часть сначала слегка подталкивали вверх магнитным импульсом, затем переводили в состояние, почти нечувствительное к магнитному полю, и оставляли в свободном падении.
Свободное движение продолжалось около двух миллисекунд, за которые волновой пакет смещался на несколько микрометров. После падения магнитный импульс снова сводил две части атомной волны. Волны начинали интерферировать, а интерференционная картина показывала накопившуюся между траекториями разницу квантовых фаз.
Измеренный фазовый сдвиг совпал с зависимостью, которую теория предсказывает при применении принципа эквивалентности к волне материи. В частности, фаза менялась характерным образом пропорционально кубу времени свободного падения. Авторы называют результат первой прямой регистрацией квантовой фазы свободно падающего массивного объекта.
Принципиальная разница с привычным опытом Галилея заключается в способе наблюдения. Классический эксперимент сравнивает траектории отдельных тел. Квантовый интерферометр заставляет один атом фактически выступать сразу в двух ролях: одна часть волновой функции остаётся связанной с лабораторной системой отсчёта, другая движется в свободно падающей системе. После объединения обеих траекторий атомная волна интерферирует сама с собой и превращает небольшую разницу фаз в измеримый сигнал.
Работа не означает, что физики нашли теорию квантовой гравитации. Эксперимент также не доказывает, что гравитационное поле само обладает квантовой природой. Результат показывает более узкую, но фундаментальную вещь: квантовая механика и принцип эквивалентности Эйнштейна не вступили в противоречие при массах, энергиях и временах, доступных новой установке. Независимые специалисты также подчёркивают, что гравитацию в квантовых системах наблюдали раньше, а главная новизна связана именно с прямым измерением фазовой разницы между свободно падающей и удерживаемой волнами.
Путь к публикации сопровождался научной дискуссией. После появления предварительной версии работы физики Петер Азенбаум и Крис Оверстрит предположили , что зарегистрированный сдвиг можно интерпретировать как фазу магнитной отдачи, не зависящую от однородного гравитационного поля. Авторы Quantum Galileo Interferometer выпустили ответ с расчётами, согласно которым установка сохраняет чувствительность к однородной гравитации даже без точного условия магнитной левитации. Рецензируемая версия в Science Advances формулирует итог осторожно: наблюдаемая квантовая фаза согласуется с принципом эквивалентности.
Следующим серьёзным испытанием станут гораздо более массивные квантовые объекты. Пенроуз давно допускает, что квантовая механика может перестать работать привычным образом, если достаточно тяжёлый объект удастся надолго удержать в суперпозиции. Атомы рубидия слишком легки, чтобы проверить подобный сценарий. Команда Университета Бен-Гуриона уже готовит эксперименты с более тяжёлыми системами, включая нанодиманты .
Квантовый интерферометр Галилея поэтому важен не как готовый мост между общей теорией относительности и квантовой механикой, а как новый лабораторный инструмент. Установка позволяет напрямую сравнивать квантовую эволюцию материи в свободно падающей и удерживаемой системах отсчёта. Рост массы объектов, времени суперпозиции и точности измерений может превратить подобные эксперименты в способ искать небольшие отклонения от привычных законов физики.