У квантовых частиц нашли «чувства» к гравитации

Если вы суеверны, то черная кошка, перешедшая вам дорогу – плохая примета, даже если вы держитесь от нее подальше. Подобным образом квантовые частицы могут «чувствовать» влияние магнитных полей, с которыми они не контактируют. Ученые продемонстрировали, что этот квантовый эффект относится не только к магнитным полям, но также и к гравитации. И здесь нет ничего общего с суеверием.

Обычно, чтобы частица подверглась воздействию магнитного поля, она должна пройти через него. В 1959 году физики Якир Ааронов и Дэвид Бом предсказали, что при определенных условиях это правило не работает. Магнитное поле, содержащееся в цилиндрической емкости, может воздействовать на частицы – например, электроны, — которые не попадают в цилиндр. В этом случае у электронов нет четкого расположения, они находятся в суперпозиции – это квантовое состояние, описываемое вероятностью появления частицы в двух разных местах. Каждая частица одновременно движется по двум траекториям вокруг магнитного цилиндра. Несмотря на то, что магнитное поле не соприкасается с электронами и, следовательно, не оказывает на них никакой силы, оно изменяет картину того, где окажутся частицы в конце своего пути, как было доказано многочисленными экспериментами.

В новом же эксперименте, не менее причудливая физика коснулась гравитационных полей. Ученые опубликовали об этом статью в журнале Science.

Марк Касевич и другие ученые запустили атомы рубидия в вакуумную камеру высотой 10 метров, при помощи лазеров привели их в состояние суперпозиции, отслеживая два разных пути, и наблюдали за тем, как атомы падали. Примечательно, что частицы находились не в зоне, свободной от гравитационного поля. Напротив, эксперимент был разработан для того, чтобы исследователи могли отсеять эффекты гравитационных сил и наблюдать чистый эффект Ааронова – Бома.

Исследование не только показывает известный физический эффект в новом свете, но и демонстрирует потенциал для изучения тонких эффектов гравитационных систем. Например, исследователи планируют использовать этот тип техники для более точного вычисления гравитационной постоянной Ньютона (G), описывающей силу гравитации и наименее точно известной сегодня по сравнению с другими фундаментальными постоянными природы.

Ключ к расшифровке результатов эксперимента – феномен интерференции. В квантовой физике атомы и другие частицы ведут себя, как волны, способные увеличиваться или уменьшаться подобно двум морским валам, сливающимся в волну побольше. В конце полета атомов ученые рекомбинировали два их пути так, чтобы их волны интерферировали. Затем они измерили долетевшие атомы. Места прибытия очень чувствительны к стороннему воздействию, изменяющему расположение пиков и впадин волн – так называемый фазовый сдвиг.

В верху вакуумной камеры исследователи поместили кусок вольфрама массой 1,25 кг. Чтобы изолировать эффект Ааронова – Бома, исследователи провели один и тот же эксперимент с массой и без нее для двух разных наборов атомов, один из которых пролетал вблизи массы, а другой – ниже нее. Каждый из этих наборов был введен в состояние суперпозиций, причем один путь проходил ближе к массе, чем другой, на расстоянии около 25 сантиметров. Другие наборы атомов, суперпозиции которых были разбиты на меньшие расстояния, служили дополнением. Сравнение того, как разные наборы атомов интерферировали – как с вольфрамовой массой, так и без нее, – помогло выделить фазовый сдвиг, произошедший не из-за гравитации. Это изменение происходило из-за замедления времени – одной из особенностей общей теории гравитации Эйнштейна, в следствие которой время протекает медленнее вблизи массивного объекта. Таким образом, подобно тому, как частицы «чувствуют» электромагнитное поле, не соприкасаясь с ним, они «чувствуют» и гравитацию.

Две теории, лежащие в основе этого эксперимента – общая теория относительности и квантовая механика – не очень хорошо ладят друг с другом. На данный момент ученые не знают, каким образом совместить их, чтобы достоверно описать реальность. Физик Гульельмо Тино из Университета Флоренции, не участвовавший в новом исследовании, считает, что «зондирование гравитации при помощи квантового датчика — одна из наиболее важных задач на данный момент».