Ученые подтвердили: квантовые объекты тоже подчиняются гравитации

Ученые получили первое экспериментальное подтверждение того, что фундаментальные законы гравитации работают и в мире квантовых объектов

Физики впервые экспериментально подтвердили, что принцип эквивалентности Эйнштейна — краеугольный камень теории гравитации — работает и для квантовых объектов. Результаты опубликованы в журнале Science Advances. В перспективе такие эксперименты могут привести к более точным квантовым датчикам, например, для навигации без GPS, измерения гравитации и поиска полезных ископаемых.

Принцип эквивалентности гласит, что гравитация «исчезает» в свободном падении. На этом фундаменте построена общая теория относительности. До сих пор его проверяли только на макрообъектах вроде спутников и падающих грузов, но команда физиков из Университета имени Бен-Гуриона в Негеве (Израиль) и Оксфордского университета решила протестировать эффект на квантовой материи.

Для этого исследователи построили квантовый интерферометр Галилея (QGI) — установку, которая позволяет сравнивать движение атомов с чрезвычайно высокой точностью. Сначала облако примерно из 20 тыс. атомов рубидия охладили почти до абсолютного нуля. При такой температуре атомы переходят в особое коллективное состояние (конденсат Бозе) Эйнштейна, в котором их уже можно описывать как единую квантовую волну.

Затем атомы разделили на две группы. Одну оставили на месте, а вторую заставили свободно падать под действием гравитации. После этого ученые сравнили поведение двух групп, чтобы точно измерить влияние гравитации на атомы.

Результаты в точности совпали с теоретическими предсказаниями. Квантовые объекты подчиняются принципу эквивалентности так же, как и обычные тела. Руководитель работы Рон Фолман и соавтор исследования Влатко Ведрал из Оксфорда подчеркивают, что открытие не доказывает, что сама гравитация квантова, и не объединяет две теории — но становится первым экспериментальным шагом к пониманию того, как квантовая механика может быть связана с гравитацией.

На макроуровне принцип эквивалентности проверяли и раньше, причем с высокой точностью. Французский спутник MICROSCOPE в 2016–2018 годах сравнивал падение двух пробных масс — из титанового и платинового сплавов — на околоземной орбите и не нашел нарушений принципа с точностью около одной квадриллионной доли. Но там речь шла об обычных, классических телах, а не о веществе в квантовом состоянии, где на первый план выходят волновые эффекты и суперпозиция.

Объединение квантовой механики и гравитации остается одной из главных нерешенных проблем современной физики. Три из четырех фундаментальных взаимодействий — электромагнитное, слабое и сильное — успешно описываются квантовой теорией поля, а гравитация подчиняется законам общей теории относительности, и до сих пор неясно, как свести оба описания в единую теорию квантовой гравитации.

Поэтому QGI важен не только как проверка одного физического принципа. Такие эксперименты помогают понять, как именно квантовая механика и гравитация взаимодействуют на фундаментальном уровне, и дают экспериментальные ориентиры для будущих теорий квантовой гравитации.

Ранее мы писали о новой теории квантовой гравитации, которая связала энтропию, темную энергию и жизнь, — эта гипотеза тоже пытается объяснить, как квантовый мир и гравитация могут работать сообща.