2233
Міжнародна команда фізиків уперше безпосередньо виміряла передбачену квантову фазу об’єкта, який вільно падає під дією гравітації. Експеримент поєднав ультрахолодні атоми, квантову суперпозицію та принцип еквівалентності Ейнштейна — один із фундаментів загальної теорії відносності. Результат показав, що в перевіреному режимі поведінка квантової матерії узгоджується з тим, що передбачає ейнштейнівський опис гравітації.
Фізика вже понад століття спирається на дві надзвичайно успішні теорії. Квантова механіка описує атоми, елементарні частинки й інші мікроскопічні системи. Загальна теорія відносності пояснює гравітацію, падіння тіл, рух планет, чорні діри та еволюцію Всесвіту. Проблема в тому, що ці дві картини досі не об’єднані в одну послідовну теорію.
В основі нового досліду лежить принцип еквівалентності. У класичному формулюванні він означає, що локально вільне падіння може бути невідрізним від відсутності гравітації. Людина у вільно падаючому ліфті відчувала б стан невагомості. Для звичайних тіл цей принцип перевіряли з надзвичайно високою точністю, але з квантовими об’єктами ситуація складніша, оскільки вони можуть поводитися як хвилі й перебувати одночасно на кількох траєкторіях.
Дослідники створили установку, яку назвали Quantum Galileo Interferometer. Експеримент провели в Університеті Бен-Гуріона з хмарами атомів рубідію, охолодженими майже до абсолютного нуля. Ультрахолодний стан потрібен для того, щоб атомна хвиля залишалася достатньо керованою і щоб малі фазові зміни не губилися в тепловому русі.
За допомогою мікрохвильових імпульсів атоми переводили в квантову суперпозицію. У такому стані хвильовий опис одного атома фактично розділявся на дві частини. Одну частину дослідники утримували на місці відносно лабораторії за допомогою точно налаштованого магнітного поля, яке компенсувало силу тяжіння.
Другу частину атомної хвилі спочатку підштовхували вгору, після чого переводили у стан, майже нечутливий до магнітного поля. Вона починала вільно рухатися під дією гравітації — подібно до м’яча, підкинутого вгору, який потім падає назад. Після цього обидві частини хвилі знову зводили разом.
Коли дві квантові хвилі зустрілися, вони створили інтерференційну картину. Саме вона дозволила виміряти різницю фаз, накопичену між гілкою, яку утримували, і гілкою, що вільно падала. Виміряна фаза збіглася з тією, яку передбачає застосування принципу еквівалентності Ейнштейна до квантової хвилі.
Автори називають роботу першим прямим вимірюванням саме такої квантової фази вільного падіння. Попередні атомні інтерферометри давно використовують квантові частинки як дуже чутливі датчики гравітації, але нова схема була побудована спеціально для перевірки зв’язку між вільним падінням, суперпозицією і принципом еквівалентності.
Водночас результат не є доказом того, що сама гравітація має квантову природу, і не створює готової теорії квантової гравітації. Дослідники підкреслюють, що експеримент показує лише узгодженість двох описів у перевіреному режимі. Він також не спростовує ідей про можливий розпад квантової суперпозиції для значно масивніших об’єктів.
Наступним кроком команда планує переносити подібну методику на важчі системи. Серед перспективних об’єктів називають нанодіаманти. Якщо вдасться утримувати значно масивніші тіла у квантовій суперпозиції достатньо довго, фізики зможуть перевіряти область, де відмінності між квантовою механікою та гравітацією можуть проявитися набагато сильніше.
https://phys.org/news/2026-09-scientists-einstein-gravity-quantum-world.html
