Kvantmehānika un Alberta Einšteina vispārīgā relativitātes teorija apraksta Visumu ļoti atšķirīgos mērogos. Kvantmehānika skaidro mikropasaules daļiņu varbūtisko dabu, savukārt vispārīgā relativitāte apraksta, kā masa un enerģija deformē telplaika struktūru, radot gravitāciju. Šo teoriju praktiskie lietojumi ietver gan pusvadītājus, gan globālās pozicionēšanas sistēmas.
Tomēr abu ārkārtīgi veiksmīgo, bet savstarpēji nošķirto teoriju apvienošana vienotā “visa teorijā” joprojām ir viens no mūsdienu fizikas lielākajiem izaicinājumiem.
Tagad fiziķi ieguvuši pirmos tiešos eksperimentālos pierādījumus, ka kvantu domēnu ietekmē gravitācijas teorijas stūrakmens — ekvivalences princips.
“Šis ir unikāls pētījums, jo tajā apvienots sarežģīts eksperiments ar tālejošu teorētisku interpretāciju par vienu no fundamentālākajiem fizikas jautājumiem: kā gravitāciju, ko apraksta Einšteina relativitātes teorija, un kvantu teoriju apvienot vienotā Visuma izpratnē?”
Tā norādīja pētījuma vadošais autors, kvantu fiziķis Rons Folmans no Negevas Ben Guriona universitātes Izraēlā. Viņš piebilda, ka eksperiments sniedz jaunus pavedienus tam, kā šāda apvienošana varētu būt iespējama.
Ekvivalences princips kvantu pasaulē
Ekvivalences princips paredz, ka brīvā kritienā gravitācijai vajadzētu šķist izzūdam. Cilvēks, kas brīvi kristu liftā, justu bezsvara stāvokli. Uz šī principa balstās arī NASA astronautu apmācība lidmašīnā, kas veic strauju, lejupvērstu lidojumu un īslaicīgi rada mikrogravitācijai līdzīgus apstākļus.
Līdz šim princips bija pārbaudīts makroskopiskiem objektiem, taču nebija skaidrs, kā uz gravitāciju reaģēs kvantu objekti. Atomi un citas daļiņas var uzvesties kā viļņi un vienlaikus izplatīties pa vairākiem ceļiem, nevis vienkārši krist lejup.
Lai to pārbaudītu, pētnieki izstrādāja jaunu interferometra veidu — ierīci, kas ļauj mērīt, kā viļņi savstarpēji pārklājas un interferē. Savu sistēmu viņi nosauca par Kvantu Galileo interferometru jeb QGI.
QGI izmanto atomu mikroshēmu magnētiskā lauka radīšanai, kas ļauj noturēt un vadīt aptuveni 20 000 atdzesētu rubīdija atomu. Atdzesējot tos gandrīz līdz absolūtajai nullei — mīnus 273,15 grādiem pēc Celsija — atomi pārvērtās par Bozes–Einšteina kondensātu. Šādā vielas stāvoklī atomi vairs neuzvedas kā atsevišķas daļiņas, bet sāk darboties kā vienots kvantu objekts.
Divi ceļi vienam kvantu vilnim
Pētnieki sadalīja kondensāta viļņu paketi divos ceļos. Vienā ceļā tā palika nekustīga attiecībā pret laboratoriju un Zemi, jo magnētiskais levitācijas spēks precīzi līdzsvaroja gravitāciju. Otrā ceļā viļņu pakete tika palaista augšup ar magnētisku impulsu un pēc tam brīvi krita gravitācijas ietekmē pa ballistisku trajektoriju.
Pēc tam ar identisku magnētisko impulsu pētnieki izlīdzināja abu viļņu pakešu ātruma atšķirības un ļāva tām pārklāties. Tas deva iespēju salīdzināt to fāzes — viļņu maksimumu un minimumu izvietojumu.
Iegūtais fāzes nobīdes rezultāts sakrita ar teorijas prognozēm, tādējādi parādot, ka ekvivalences princips ir spēkā arī kvantu apgabalā. Tomēr pētnieki uzsver: eksperiments vēl nav kvantmehānikas un gravitācijas apvienojums un nepierāda, ka pati gravitācija ir kvantu parādība.
Darbs var palīdzēt pārbaudīt vēl drosmīgāku hipotēzi — ka gravitācija darbojas kvantos. Šādā gadījumā tā nebūtu vienmērīgs, nepārtraukts lauks, bet sastāvētu no diskrētiem enerģijas paketēm jeb gravitoniem, līdzīgi kā elektromagnētiskā starojuma enerģija tiek pārraidīta fotonu kvantos.
“Šis eksperiments iestumj kvantmehāniku vienā no tās intriģējošākajām robežzonām — gravitācijā — un vēlreiz parāda, ka tās prognozes ir spēkā,”
secināja viens no pētījuma līdzautoriem, Oksfordas Universitātes kvantu informācijas zinātnes profesors Vlatko Vedrals. Pētījums publicēts žurnālā Science Advances.
Pasaulē
Pasaulē
Pasaulē
Pasaulē