Einstein mal pravdu: Kvantový objekt vo voľnom páde sa správal presne tak, ako predpovedal
Vedci sledovali atómy vo voľnom páde a ukázali, že Einsteinov princíp ekvivalencie funguje aj pri kvantových objektoch v superpozícii.
Einsteinova teória gravitácie patrí medzi najúspešnejšie teórie vo fyzike. Kvantová mechanika zase veľmi dobre opisuje správanie atómov a ďalších mikroskopických objektov. Problém nastáva v momente, keď sa fyzici pokúsia tieto dva svety spojiť.
Medzinárodný tím vedcov teraz uskutočnil experiment, ktorý sa pozrel práve na hranicu medzi nimi. Výskumníci sledovali, čo sa stane s kvantovými vlastnosťami atómov počas voľného pádu. Výsledok ukázal efekt, ktorý zodpovedá predpovedi vychádzajúcej z Einsteinovho princípu ekvivalencie. Štúdia, na ktorej sa podieľali aj vedci z University of Oxford a Ben-Gurion University of the Negev, vyšla 2. septembra v časopise Science Advances. Medzi členmi tímu sa nachádza aj nositeľ Nobelovej ceny za fyziku Sir Roger Penrose.
Nejde však o dôkaz, že vedci konečne spojili kvantovú mechaniku s gravitáciou. Experiment má užší, no stále dôležitý význam.
Dva veľké opisy sveta sa stále nevedia úplne spojiť
Fyzici už viac ako sto rokov používajú dve mimoriadne úspešné teórie. Kvantová mechanika opisuje správanie veľmi malých objektov, napríklad atómov a častíc. V tomto svete sa totiž objekty môžu správať spôsobom, ktorý nemá klasickú obdobu. Častica môže napríklad existovať v kvantovej superpozícii a jej stav možno opísať pomocou vlny. Einsteinova teória gravitácie zase opisuje gravitáciu a pohyb objektov v priestore a čase.
Obe teórie fungujú veľmi dobre vo svojich oblastiach. Vedci však stále nemajú jednotný opis, ktorý by ich dokázal bez problémov spojiť. Nový experiment preto nevyriešil tento veľký problém. Ukázal však, že jeden zo základných princípov Einsteinovej gravitácie obstojí aj pri teste s kvantovým objektom. Ide o princíp ekvivalencie.
Neprehliadni
Čo hovorí Einsteinov princíp ekvivalencie?
Princíp ekvivalencie môže znieť komplikovane, no základná predstava sa dá vysvetliť aj nasledovne. Ak sa nachádzaš vo voľnom páde, lokálne nemusíš cítiť účinky gravitácie. Klasickým príkladom je človek vo výťahu, ktorý padá voľným pádom. Na krátky čas by zažil stav beztiaže. Tento princíp fyzici už mnohokrát preverili pomocou bežnej hmoty a výsledky boli mimoriadne presné.
Otázka však znela, čo sa stane, keď namiesto klasického objektu použijeme niečo, čo podlieha pravidlám kvantovej mechaniky. Kvantové objekty totiž nemožno vždy chápať ako malé guličky s presne určenou polohou. Ich stav môže opísať kvantová vlna a tá môže v určitom zmysle prechádzať viacerými cestami naraz. Práve túto vlastnosť vedci vo svojom výskume využili.
Výskumníci vytvorili zariadenie s názvom Quantum Galileo Interferometer. Pomocou neho dokázali pripraviť atómy tak, aby ich kvantový stav obsahoval dve rôzne dráhy. Experiment prebehol s oblakmi atómov rubídia, ktoré vedci ochladili na teplotu tesne nad absolútnou nulou. Následne ich manipulovali v blízkosti špeciálneho čipu pre atómy.
Pomocou mikrovlnných impulzov pripravili atómy do kvantovej superpozície. Vedci potom využili drobné elektrické vodiče na čipe, ktoré vytvorili presne kontrolované magnetické polia. Jedna časť kvantovej vlny dostala silu smerom nahor, ktorá presne vyvážila gravitačné pôsobenie. Táto časť preto zostala vzhľadom na laboratórium prakticky na rovnakom mieste. Druhá časť dostala krátky magnetický impulz smerom nahor. Následne ju vedci dostali do stavu, v ktorom na ňu magnetické pole pôsobilo len minimálne. Atóm tak mohol voľne padať pod vplyvom gravitácie.
Jeho pohyb v tomto prípade pripomínal klasický balistický pohyb predmetu, ktorý vyhodíš do vzduchu.
Najzaujímavejšia časť experimentu prišla na konci. Vedci použili ďalší presne nastavený magnetický impulz a obe časti kvantovej vlny opäť spojili. Keď sa dve kvantové vlny stretnú, môžu navzájom interferovať. Práve tento jav poskytol vedcom spôsob, ako zmerať veľmi malý rozdiel medzi oboma cestami. Jedna časť totiž voľne padala v gravitačnom poli, zatiaľ čo druhá zostala držaná na mieste.
Výskumníci sledovali rozdiel v takzvanej kvantovej fáze. Ide o veličinu, ktorá súvisí so stavom kvantovej vlny a pri interferencii ovplyvňuje výsledný signál. Nameraná fáza sa zhodovala s hodnotou, ktorú predpovedá teória pri použití Einsteinovho princípu ekvivalencie na takýto kvantový systém.
„Tento experiment posúva kvantovú mechaniku na jednu z jej najzaujímavejších hraníc, ku gravitácii a opäť ukazuje, že jej predpovede platia,“ uviedol spoluautor štúdie Vlatko Vedral z University of Oxford.
Neznamená to, že gravitácia je kvantová
Pri podobných výsledkoch môže ľahko vzniknúť dojem, že vedci práve vyriešili jeden z najväčších problémov modernej fyziky, no na to je zatiaľ veľmi skoro. Experiment nespojil kvantovú mechaniku s Einsteinovou gravitáciou do jednej teórie a rovnako neposkytol ani dôkaz, že samotná gravitácia má kvantovú povahu. Výsledok ukázal niečo konkrétnejšie, teda že princíp ekvivalencie, ktorý patrí medzi základné piliere Einsteinovej teórie gravitácie, zostáva v skúmanom režime v súlade s kvantovou mechanikou.
Vedci navyše testovali relatívne malé objekty a krátke časové intervaly. Práve tu sa dostávame k ďalšej dôležitej otázke. Roger Penrose patrí medzi fyzikov, ktorí navrhli možnosť, že kvantová mechanika nemusí fungovať úplne rovnako pri dostatočne veľkých objektoch, ktoré zostanú v kvantovej superpozícii dostatočne dlho. Nový experiment túto myšlienku nevyvracia ani nepotvrdzuje. Použité atómy a časové škály totiž nestačili na jej priamy test. Vedci však chcú techniku ďalej rozvíjať. Ďalším cieľom môžu byť podstatne ťažšie objekty, napríklad nanodiamanty.
Takýto experiment by mohol umožniť preveriť, či sa kvantové správanie zachová aj pri oveľa väčších systémoch. Na podobnom výskume už tím v Ben-Gurion University of the Negev pracuje.
„Dve piliere modernej fyziky sa doteraz vyhýbali spoločnému teoretickému rámcu, no tento komplexný experiment poskytuje ďalšie náznaky, ako by sa ich zjednotenie mohlo dosiahnuť,“ uviedol hlavný autor štúdie Ron Folman.
Nový výsledok preto nepredstavuje hotovú teóriu kvantovej gravitácie. Skôr pridáva ďalší experimentálny dielik do skladačky, ktorú sa fyzici snažia poskladať už celé desaťročia. A práve testovanie čoraz väčších kvantových objektov môže ukázať, kde sa hranice dnešných teórií skutočne nachádzajú.
