Fizičari prvi put izmjerili kako gravitacija djeluje na kvantnom nivou i potvrdili Ajnštajnovu ideju

Ajnštajnov princip ekvivalencije — ideja da je nemoguće lokalno razlikovati gravitaciju od ubrzanja — decenijama je potvrđivan za velike, svakodnevne objekte. Međutim, pitanje da li isto vrijedi i na kvantnom nivou ostajalo je bez eksperimentalnog odgovora. Sada je tim fizičara, predvođen Ronom Folmanom sa Univerziteta Ben-Gurion u Negevu u Izraelu, po prvi put uspio izmjeriti taj efekat.

Rezultati su objavljeni 2. septembra u časopisu Science Advances.

Atom koji istovremeno pada i miruje

Istraživači su ohladili oko 20.000 atoma rubidijuma do stanja poznatog kao Bose-Ajnštajnov kondenzat, a zatim ih postavili u kvantnu superpoziciju — stanje u kojem jedan atom istovremeno prati dva puta. Na jednom putu atom je bio u slobodnom padu, dok je na drugom ostajao u mirovanju. Kada su dva puta ponovo spojena, otkrivena je jedva zamjetna razlika u fazama — upravo ona koju je teorija predviđala još 1927. godine, kada su je opisali Charles Galton Darwin, unuk poznatog prirodnjaka, i Earle Kennard.

Eksperiment je izveden na udaljenosti od oko 113 mikrometara ispod takozvanog atomskog čipa sa zlatnim žicama debljine svega 2 mikrometra. Radiotalasi i mikrotalasni impulsi postavili su svaki atom u superpoziciju dva magnetna stanja. Magnetni udar lansirao je jedan dio atoma naviše, dok je drugi dio ostao suspendovan na mjestu zahvaljujući sili podešenoj da tačno poništi gravitaciju. Na vrhu putanje, dva dijela jednog atoma bila su udaljena oko 7,5 mikrometara — otprilike sedam puta više od širine samog atomskog talasa.

Predviđanje staro skoro sto godina konačno potvrđeno

Tim je pratio interferentni signal produžavajući vrijeme slobodnog pada do oko 2,4 milisekunde. Tokom 633 mjerenja u 5,3 sata zabilježeno je 13 potpunih oscilacija, pri čemu je rast faze pratio kub vremena padanja — tačno onako kako je teorija predviđala. Uređaj su nazvali kvantni Galilejev interferometar, po naučniku koji je prvi tvrdio da svi predmeti padaju istom brzinom.

Vlatko Vedral, fizičar na Univerzitetu Oxford i koautor studije, pojasnio je da princip ekvivalencije kaže da se ubrzanje i gravitacija ne mogu lokalno razlikovati. Prema njegovim riječima, u ovom eksperimentu su dva različita ubrzanja — nulto ubrzanje i Zemljino gravitaciono ubrzanje — postavljena u superpoziciju, a rezultirajuća kvantna interferencija uspješno izmjerena.

Ovaj rezultat uspostavlja malu, ali značajnu vezu između opšte teorije relativnosti i kvantne mehanike, potvrđujući da Ajnštajnova ideja — koju je sam nazvao „najsretnijom mišlju" svog života — opstaje i u domenu kvantne fizike.