Падающий атом впервые подчинился закону гравитации Эйнштейна в квантовом мире

Атом упал — и Эйнштейн оказался прав.

В квантовом мире, где частицы ведут себя как волны, где один объект может находиться в двух местах одновременно, никто прежде не подтверждал напрямую, что фундаментальный закон гравитации Эйнштейна действует. И квантовая механика, и общая теория относительности дают предсказания о том, что происходит, когда квантовый объект свободно падает под действием гравитации, и эти предсказания никогда не проверялись друг против друга в прямом измерении. Теперь это сделано, и обе теории согласуются.

Эксперимент важен, потому что квантовая механика и общая теория относительности — две опоры современной физики — в своей основе несовместимы. Каждая попытка построить единую теорию квантовой гравитации наталкивается на одну и ту же проблему: математику двух теорий нельзя просто объединить. Однако обе они предсказывают, что падающая квантовая волна должна накапливать определённый фазовый сдвиг, и команда под руководством профессора Рона Фольмана (Ron Folman) из Университета Бен-Гуриона в Негеве впервые измерила этот сдвиг напрямую. Фаза точно совпала с предсказанием Эйнштейна.

Рекомендуем прочитатьКрупицу металла из 10 000 атомов удержали в двух местах одновременно

Как они построили квантовую версию эксперимента Галилея

Эксперимент опирается на одно из самых известных наблюдений в физике. Когда Галилей, по преданию, сбросил два шара разной массы с Пизанской башни, оба ударились о землю одновременно: масса падающего объекта не влияет на его ускорение. Эйнштейн сделал это наблюдение краеугольным камнем своей теории гравитации, назвав его принципом эквивалентности. В квантовой области тот же эксперимент приобретает дополнительное измерение: квантовый объект можно расщепить на два одновременных пути, что позволяет физикам измерить разность фаз, накопленную между путями при различном воздействии гравитации.

Команда Фольмана, в которую вошли профессор Влатко Ведрал (Vlatko Vedral) и нобелевский лауреат профессор сэр Роджер Пенроуз (Sir Roger Penrose) из Оксфорда, а также группы из Ульма, Саутгемптона, Техасского университета A&M и Германского центра авиации и космонавтики, построила так называемый Квантовый интерферометр Галилея. Используя атомный чип — миниатюрное устройство, которое с помощью магнитных полей и микроволновых импульсов управляет отдельными атомами, — они охладили атомы рубидия почти до абсолютного нуля. Затем каждый атом расщепляли на два квантовых пути: один удерживался магнитными полями неподвижно, другой свободно падал под действием гравитации. Когда два пути снова соединялись, интерференционная картина показывала разность фаз, накопленную за время падения.

Измеренная фаза совпала с тем, что предсказывает принцип эквивалентности Эйнштейна, применённый к квантовой волне. «Это уникальная работа, — сказал Фольман. — Она даёт дополнительные подсказки о том, как может быть достигнуто такое объединение».

Что на самом деле предсказал Эйнштейн и почему это было трудно проверить

Принцип эквивалентности лежит в основе всей общей теории относительности. Эйнштейн понял, что человек в закрытой комнате не может отличить, стоит ли он на Земле или ускоряется в ракете в космосе: переживание гравитации локально тождественно переживанию ускорения. Он распространил эту идею на свет, предсказав, что гравитация искривляет свет и изменяет его частоту — оба предсказания были подтверждены много десятилетий назад. Но проверить принцип эквивалентности для квантовых объектов в свободном падении гораздо сложнее.

Ближайшее из более ранних измерений было проведено в 1970-х годах, когда исследователи с помощью нейтронной интерферометрии обнаружили гравитационный фазовый сдвиг. Те эксперименты были значимыми, но нейтроны были ограничены способами, которые усложняли интерпретацию, и условия не являлись прямой проверкой принципа эквивалентности для свободного падения. Новый эксперимент помещает квантовый объект в настоящее свободное падение и без неоднозначности измеряет ожидаемую фазу — технический разрыв, который потребовал примерно полувека, чтобы закрыть.

Что он не решает — и во что по-прежнему верит Роджер Пенроуз

Результат впечатляет, но его авторы осторожны в оценке того, что он доказывает. Эксперимент подтверждает, что принцип эквивалентности Эйнштейна согласуется с квантовой механикой в данном конкретном режиме. Он не демонстрирует, что гравитация сама является квантовой силой, и не даёт долгожданной единой теории.

Пенроуз, который десятилетиями утверждал, что квантовая механика в конце концов нарушается для достаточно больших объектов из-за гравитационного механизма, который он называет объективной редукцией, является соавтором этой работы, но статья не проверяет его гипотезу. Атомы рубидия слишком малы, а квантовые суперпозиции слишком короткоживущи, чтобы проникнуть в область, где теория Пенроуза предсказывала бы измеримые отклонения. Эксперимент показывает, что в хорошо контролируемом пределе малых масс обе теории могут сходиться в конкретном проверяемом предсказании. Что происходит на промежуточных масштабах — на границе между квантовым и гравитационным мирами, — остаётся нерешённым.

Исследователи из Университета Бен-Гуриона уже работают над следующим шагом: масштабированием той же интерферометрической техники на наноалмазные частицы, которые достаточно массивны, чтобы войти в спорную область, где предсказания стандартной квантовой механики и альтернативы Пенроуза начинают расходиться.

Часто задаваемые вопросы об эксперименте с принципом эквивалентности Эйнштейна

Что такое принцип эквивалентности и почему он важен?

Принцип эквивалентности Эйнштейна гласит, что локальные эффекты гравитации неотличимы от эффектов ускорения. Человек в запертой комнате не может сказать, сидит ли он на планете или находится внутри ракеты, ускоряющейся с той же скоростью. Эйнштейн использовал это понимание как основу общей теории относительности, и подтверждение принципа для квантовых объектов — шаг к пониманию того, можно ли в конечном счёте примирить две великие физические теории Вселенной.

Означает ли этот эксперимент, что проблема квантовой гравитации решена?

Нет. Результат подтверждает, что принцип Эйнштейна выполняется для квантового объекта в свободном падении в данных конкретных условиях. Квантовая гравитация — полная теория, объединяющая квантовую механику и общую теорию относительности, — остаётся нерешённой. Эксперимент предоставляет новую точку данных, которую любая такая теория должна учитывать, но разрыв между двумя теориями гораздо глубже, чем может преодолеть одно измерение.

Что такое квантовый интерферометр?

Квантовый интерферометр расщепляет один квантовый объект на два одновременных волнообразных пути, а затем снова соединяет их. Возникающая интерференционная картина кодирует разность фаз, накопленную вдоль каждого пути. В этом эксперименте разность фаз возникла потому, что один путь свободно падал под действием гравитации, а другой удерживался неподвижно — именно то сравнение, относительно которого принцип эквивалентности Эйнштейна даёт предсказание.

Почему использовали атомы рубидия?

Рубидий — стандартный выбор для прецизионных квантовых экспериментов, поскольку его можно эффективно охлаждать почти до абсолютного нуля, до температур, при которых его квантовая волновая природа становится доминирующей, и точно управлять им с помощью лазеров и магнитных полей. При таких температурах измерение фазы может быть выполнено с точностью, необходимой для эксперимента.

Следующая цель команды — наноалмазы: частицы, достаточно массивные, чтобы войти в область, где современные теории начинают расходиться. Если квантовые суперпозиции спонтанно разрушаются на этом масштабе — как давно предсказывал Пенроуз, — интерферометр должен это обнаружить. Ответ может быть получен в течение десятилетия.

Ссылка: Folman et al., Science Advances, Volume 12, Issue 36, 2026. DOI: 10.1126/sciadv.aec8045

Теги: physics, Einstein, equivalence principle, general relativity, quantum mechanics, Roger Penrose

Похожее

Вакуум должен быть пустым — рентгеновские лучи магнетара доказали обратное

Физики впервые увидели, как атомы кристалла разворачивают своё вращение

Свет всегда скрывал вселенную из 48 измерений

Тёмная материя задала галактикам их вращение 13 миллиардов лет назад — подтверждено на уровне 7 сигма

Вселенная по-прежнему ускоряется — двум нобелевским лауреатам пришлось снова это доказывать

Кобальт скрывал квантовые состояния, что выживают при комнатной температуре