Учёные проверили поведение квантовой волны в свободном падении

Что произошло

Команда Ron Folman с коллегами из Германии, Великобритании и США, среди которых был лауреат Нобелевской премии Roger Penrose, создала новый атомный интерферометр.

Он помещает один атом в суперпозицию двух траекторий. По одной атом совершает свободное падение, а по другой остаётся неподвижным. Затем обе части волнового пакета встречаются в одном месте и в один момент, что позволяет измерить эффект падения.

Как устроен эксперимент

Квантовая механика описывает каждый объект также как волну. Её фазу нельзя измерить изолированно: для этого частицу нужно разделить на две траектории, а затем снова свести их вместе. Такой принцип используется и в эксперименте с двумя щелями.

В случае свободного падения задача сложнее. Возвращать падающую частицу с помощью ловушки или другого воздействия нельзя, поскольку это добавило бы шум. Поэтому исследователи выбрали схему, в которой один волновой пакет отправляется вверх, а гравитация возвращает его к исходному месту, тогда как второй остаётся неподвижным.

Чтобы интерференция сохранилась, нельзя определить, по какой траектории прошла частица. Разница в скорости между возвращающимся и неподвижным волновыми пакетами сама по себе могла бы раскрыть путь и уничтожить интерференционную картину.

Почему это важно

Почти сто лет физики пытались понять, как свободное падение должно влиять на квантовую волну. Если теоретическое описание окажется неверным, квантовая механика и теория гравитации Einstein будут противоречить друг другу.

Ранее необходимое измерение считалось недостижимым: существовавшие атомные интерферометры не могли одновременно сравнить свободно падающую и неподвижную траектории одного атома.

Контекст

Волновая природа атома проявляется, когда он почти не движется, поэтому атомы охлаждают почти до абсолютного нуля. Возможность охлаждать их до таких температур появилась только в конце 1990-х годов.

Атомные интерферометры существуют уже 30 лет, однако ни один из них прежде не решал поставленную командой задачу.