A Ben-Gurion University of the Negev, a németországi University of Ulm és a University of Oxford kutatói közvetlenül megfigyeltek egy régóta megjósolt gravitációs hatást egy szabadon eső kvantumobjektumon. A kísérlet nem oldja fel a kvantummechanika és a gravitáció közötti évszázados ellentétet, de figyelemre méltó kísérleti hidat képez a két elmélet között.

A modern fizika két rendkívül sikeres alappilléren nyugszik. Einstein általános relativitáselmélete leírja a gravitációt, a bolygókat, a csillagokat, a fekete lyukakat és az Univerzum fejlődését. A kvantummechanika pedig az atomokat, az elektronokat és a mikroszkopikus világot magyarázza meg.

Mindkét elmélet rendkívüli pontossággal működik. A probléma az, hogy a fizikusok még mindig nem rendelkeznek egy teljesen következetes elmélettel olyan helyzetek leírására, ahol a gravitációnak és a kvantumszerű viselkedésnek egyszerre kell működnie.

Pontosan ezt a határterületet próbálja feltérképezni az új kísérlet.

Galileo eső tárgya – kvantumos módon

A kísérlet középpontjában egy olyan berendezés áll, amelyet a kutatók Quantum Galileo Interferometer-nek neveznek, utalva Galileo híres, eső testekkel végzett vizsgálataira.

Ahelyett azonban, hogy ágyúgolyókat dobtak volna le egy toronyból, a kutatócsoport az abszolút nulla fok feletti hőmérsékletre hűtött rubídiumatomok felhőit használta.

Ilyen hőmérsékleten az atomok rendkívül tisztán képesek megmutatni kvantumtermészetüket. Mikrohullámú impulzusok segítségével a kutatók az atomokat kvantum-szuperpozícióként ismert állapotba helyezték – gyakorlatilag lehetővé téve, hogy az atomhoz kapcsolódó kvantumhullám egyszerre két különböző útvonalat kövessen.

Az atomi hullám egyik részét gondosan kontrollált mágneses mezőkkel rögzítették. A másik részt felfelé lökték, majd elengedték, hagyva, hogy szabadon essen a Föld gravitációjának hatására, hasonlóan egy levegőbe dobott labdához.

A két részt később újra egyesítették.

Mivel a kvantumhullámok interferálnak egymással, a kutatók a kvantumfázisukban bekövetkező apró különbség alapján észlelni tudták a szabadesés időtartama által okozott változást. Ez a mért változás megegyezett azzal az előrejelzéssel, amelyet Einstein ekvivalenciaelvének a kvantumrendszerre való alkalmazásával kaptak. (

A kutatók szerint ez az első közvetlen mérése a szabadesés által létrehozott, előre jelzett kvantumfázisnak.

Einstein belép a kvantumvilágba

Einstein ekvivalenciaelve az általános relativitáselmélet szívében rejlik.

Legegyszerűbb formájában azt mondja ki, hogy a gravitáció hatására szabadon eső személynek helyileg súlytalanságot kell tapasztalnia. Képzeljük el, hogy egy liftben állunk, amelynek kábele hirtelen elszakad: a lift és mi is együtt gyorsulnánk lefelé, amitől átmenetileg úgy éreznénk, mintha megszűnt volna a gravitáció.

Ezt az elvet rendkívüli pontossággal tesztelték már hétköznapi anyagok használatával.

A kvantumobjektumok azonban mások. Egy kvantumrészecske viselkedhet hullámként, létezhet szuperpozícióban, és gyakorlatilag egynél több útvonalat is bejárhat egyszerre. A kérdés tehát lényegesen különösebbé válik: mit jelent Einstein szabadesése, amikor egy objektum egyszerre különböző kvantumtörténeteket követ?

Az új kísérlet azt jelzi, hogy – legalábbis a vizsgált körülmények között – Einstein elve és a kvantummechanika összeegyeztethető marad.

Professor Ron Folman, a Ben-Gurion University munkatársa és a tanulmány vezető szerzője szerint a kísérlet jelentősége abban áll, hogy egy bonyolult kísérletet kapcsolt össze a fizika egyik legalapvetőbb elméleti kérdésével: hogyan lehet a gravitációt és a kvantumelméletet végül a természet egységes megértésébe integrálni.

Amit a kísérlet nem bizonyított

Az eredményt fontos pontosítással kell kezelni.

Nem bizonyítja, hogy maga a gravitáció kvantumos természetű.

A csoport nem alkotta meg a kvantumgravitáció régóta keresett elméletét sem, amely összeegyeztetné az általános relativitáselméletet a kvantummechanikával.

Amit demonstráltak, az szűkebb, de mégis fontos: kísérletileg megfigyelték azt a viselkedést, amelyet Einstein ekvivalenciaelvének kvantumhullámra való alkalmazása jósolt meg.

Ez a különbségtétel azért fontos, mert a fizika legnagyobb rejtélyei pontosan ott léteznek, ahol a két elmélet ütközik.

Az általános relativitáselmélet olyan jelenségeket jósol meg, mint a fekete lyukak, ahol az anyag hatalmas koncentrációja meggörbíti a teret és az időt. A kvantummechanika a rendkívül kis skálákon dominál. Egy fekete lyuk középpontjának közelében – és talán az Ősrobbanás utáni első pillanatokban – mindkettőnek egyszerre kellene számítania, jelenlegi elméleteink mégsem tudják megfelelően leírni, mi történik.

Penrose és a következő kísérlet

A tanulmány egyik társszerzője az Oxford matematikusa és fizikusa, Sir Roger Penrose, a 2020-as fizikai Nobel-díj nyertese.

Penrose régóta érvel amellett, hogy a kvantum-szuperpozícióba helyezett, kellően nagy tömegű objektumok végül felfedhetik a hagyományos kvantummechanika kudarcát – potenciálisan azért, mert maga a gravitáció okozza a szuperpozíció összeomlását.

A jelenlegi kísérletben szereplő rubídiumatomok túl könnyűek voltak, és kvantumállapotaik túl rövid ideig tartottak ahhoz, hogy ezt az elképzelést teszteljék.

De ez talán csak a kezdet.

A kutatók szerint módszereik idővel kiterjeszthetők lesznek sokkal nehezebb objektumokra is. A Ben-Gurion University területén már folynak nanogyémántokkal végzett kísérletek pontosan e határterület feltárására. (Oxford University)

Itt válik a történet különösen érdekessé.

A fizika több mint 100 éve él a valóság két különböző leírásával: Einstein sima, görbült téridejével és a kvantummechanika bizonytalan, valószínűségi világával.

A Quantum Galileo kísérlet nem egyesítette őket.

De egyetlen, Föld felé eső apró atom esetében Einstein és a kvantumfizika most ugyanabba a kísérletbe került – és, legalábbis pillanatnyilag, egyetértenek.