A kvantummechanika és a relativitáselmélet ellentmondásos kapcsolata régóta a fizika legnagyobb megválaszolatlan rejtélye. Kutatók most szuperpozícióba helyezett atomok segítségével tesztelték, miként viselkedik az anyag, amikor a gravitáció és a kvantumfizika egyszerre fejti ki hatását.
Két különálló fizikai valóság összefeszülése
A modern fizika két szilárd pillére, a kvantummechanika és az általános relativitáselmélet egyaránt kiemelkedő pontossággal írja le a saját működési tartományát. A kvantummechanika az atomi és subatomi részecskék kiszámíthatatlannak tűnő, valószínűségi alapon szerveződő világát írja le, ahol a részecskék egyszerre több állapotban is létezhetnek. Ezzel szemben Albert Einstein relativitáselmélete a tömeg, a gravitáció és a téridő szerkezetének összefüggéseit magyarázza meg bolygóközi és galaktikus méretekben. A két elmélet matematikai és elvi alapon azonban összeférhetetlennek bizonyul, amikor a fizikusok egyszerre próbálják alkalmazni őket ugyanarra a fizikai jelenségre.
Az ellentmondás feloldása érdekében a kutatók évtizedek óta keresik azokat a kísérleti elrendezéseket, amelyekben mindkét elmélet hatása egyidejűleg mérésekkel igazolható. Különösen tisztázatlan kérdés volt, hogy a tömeggel rendelkező részecskék megőrzik-e kvantumos tulajdonságaikat, amikor áthaladnak egy gravitációs mezőn, vagy a gravitációs vonzás jelenléte törvényszerűen összeomlasztja a hullámfüggvényt.
Párhuzamos pályák egyetlen atomi chipen
A mérés során szuperhideg rubídiumatomokat hoztak kvantumos szuperpozícióba mikrohullámú impulzusok segítségével. Ez a rendkívüli állapot lehetővé tette, hogy egyetlen atom egyidejűleg két teljesen eltérő mozgási útvonalat járjon be. A kísérleti elrendezés kulcsát egy speciálisan kialakított atomi chip jelentette, amely apró huzalok segítségével mikroszkopikus pontossággal szabályozott mágneses mezőket hozott létre.
Az atomi hullámfüggvény egyik fele a mágneses mező hatására olyan felfelé mutató erőt tapasztalt, amely pontosan kiegyenlítette a Föld gravitációs vonzását. Ez a rész így teljesen mozdulatlan maradt a laboratóriumhoz képest. Ezzel párhuzamosan a hullámfüggvény másik felére kikapcsolták a megtartó mágneses erőt, így az szabadon esett a gravitáció hatására. A részecske ennek köszönhetően egyszerre volt nyugalmi állapotban és szabadon eső mozgásban.
Einstein ekvivalenciaelve a kvantumtartományban
Amikor a két különálló útvonalat bejárt hullámrészeket a pályák végén ismét egyesítették, a kutatók finom interferenciamintázatot mértek. Az összegzés során kimutathatóvá vált egy apró fáziseltolódás, amely pontosan egybevág az általános relativitáselmélet elméleti jóslataival. Albert Einstein híres ekvivalenciaelve szerint a gravitációs mezőben való tartózkodás és a gyorsuló vonatkoztatási rendszer helyileg megkülönböztethetetlen egymástól.
A mérések egyértelműen igazolták, hogy ez a klasszikus fizikai elv a kvantummechanika szabályai szerint működő rendszerekre is maradéktalanul érvényes. A gravitációs időtágulás és a szuperpozíció egyidejű jelenléte nem rombolta le a kvantumos koherenciát, hanem a relativitás elméletének megfelelő fáziseltolódást eredményezett. Az eredmény bizonyítja, hogy a gravitáció és a kvantumos állapotok összeférhetősége mélyebb, mint azt a korábbi elméleti feltételezések sugallták.
A kvantumgravitáció kutatásának új irányai
Bár a kísérlet önmagában nem alkotja meg a régóta keresett egységes kvantumgravitációs elméletet, határozott választ ad a két terület közvetlen határterületén felmerülő kérdésekre. Korábban több elméleti fizikus feltételezte, hogy a tömeggel rendelkező tárgyak térbeli szuperpozíciója a gravitáció hatására spontán összeomlik, kikényszerítve a klasszikus viselkedést. A friss mérési adatok rácáfolnak ezekre a hipotézisekre, felmutatva a kvantumos koherencia megmaradását.
A kísérletben alkalmazott atomi chipek technológiája a jövőben a korábbinál lényegesen érzékenyebb kvantumszenzorok megépítését teheti lehetővé. Az ilyen berendezések nemcsak a fizika legalapvetőbb összefüggéseinek tisztázását segítik, hanem a nagy pontosságú navigációs rendszerek és a geológiai gravitációs térképező műszerek terén is gyakorlati alkalmazásra találhatnak.
