Квантовая механика и общая теория относительности — две главные физические теории XX века. Первая описывает странный мир атомов и частиц, вторая — гравитацию и крупномасштабную структуру Вселенной. Однако между ними существует фундаментальное противоречие: все попытки объединить их в одну непротиворечивую теорию пока терпят неудачу. Один из главных камней преткновения — как именно гравитация, которая искривляет пространство-время, взаимодействует с квантовыми объектами, которые ведут себя как волны и могут находиться одновременно в нескольких местах? Принцип эквивалентности Эйнштейна гласит, что в свободном падении гравитация локально исчезает — например, человек в падающем лифте чувствует невесомость. Этот принцип блестяще подтвержден для мира классической материи, но проверить его для квантовых объектов чрезвычайно сложно, пишет EurekAlert.

Для того чтобы провести этот эксперимент, группе исследователей из разных стран пришлось создать устройство, которое назвали «квантовым интерферометром Галилея». С помощью микроволновых импульсов ученые поместили облако атомов рубидия, охлажденных до температуры, близкой к абсолютному нулю, в квантовую суперпозицию — состояние, в котором каждый атом одновременно двигался по двум разным траекториям.

Затем, с помощью крошечных электрических проводов на специальном чипе они сгенерировали магнитные поля. Одна часть атомной волны реагировала на это магнитное поле, что позволило ученым приложить силу, компенсирующую силу притяжения. Таким образом, эта часть волны удерживалась неподвижно относительно лаборатории и Земли. Другую часть направили магнитным импульсом вверх, а потом отпустили в свободное падение по баллистической траектории, как мяч, брошенный в воздух.

После падения исследователи снова свели обе части вместе, и они интерферировали друг с другом, как это делают световые волны. Интерференция позволила измерить крошечную разницу в квантовой фазе, которую накопила падавшая часть по сравнению с удерживаемой. Эта разница в точности совпала с предсказанием, которое следует из применения принципа эквивалентности Эйнштейна к квантовой волне.

Хотя ранее квантовые частицы уже использовались для измерения гравитации, это первый случай прямого измерения предсказанной квантовой фазы свободно падающего объекта.

Важно подчеркнуть, что этот результат не объединяет квантовую механику и гравитацию и не доказывает, что сама гравитация является квантовой. Он показывает, что в условиях этого эксперимента принцип эквивалентности Эйнштейна выполняется и для квантовых систем. Также он не опровергает аргумент Пенроуза (который является соавтором работы) о том, что для достаточно массивных объектов, удерживаемых в суперпозиции достаточно долго, квантовая механика может нарушаться. В этом эксперименте нужные массы и временные масштабы достигнуты не были.

Тем не менее, группа исследователей из Университета Бен-Гуриона (Израиль) уже работает над следующим этапом — с гораздо более тяжелыми объектами, такими как наноалмазы. Это может стать решающим шагом к проверке фундаментальных пределов квантовой теории и пониманию того, как гравитация и кванты могут объединиться в единую картину мира.

Вселенная расширяется с нарастающей скоростью, и для объяснения этого факта существует ряд гипотез. Самая популярная — темная энергия, природа которой остается неясной. Физик Саввас Кушиаппас предлагает новое объяснение — через действие квантовой гравитации.