Ένα άτομο ρουβιδίου ψύχεται σχεδόν στο απόλυτο μηδέν. Το κβαντικό του κύμα χωρίζεται σε δύο διαδρομές: η μία μένει ακίνητη, ενώ η άλλη αφήνεται να πέσει. Όταν οι δύο διαδρομές ενώνονται ξανά, το αποτέλεσμα δείχνει ότι ένας από τους πιο θεμελιώδεις κανόνες του Αϊνστάιν εξακολουθεί να λειτουργεί ακόμη και σε αυτόν τον παράξενο μικρόκοσμο.
Αυτό πέτυχε διεθνής ομάδα ερευνητών από το Πανεπιστήμιο Ben-Gurion, το Πανεπιστήμιο της Ουλμ και το Πανεπιστήμιο της Οξφόρδης. Η συσκευή τους ονομάστηκε Quantum Galileo Interferometer — Κβαντικό Συμβολόμετρο του Γαλιλαίου — και σχεδιάστηκε για να εξετάσει τι συμβαίνει όταν ένα κβαντικό αντικείμενο βρίσκεται σε ελεύθερη πτώση.
Μία πτώση, δύο κβαντικές διαδρομές
Στην καθημερινή εμπειρία, ένα αντικείμενο ακολουθεί μία συγκεκριμένη πορεία. Στην κβαντική φυσική, όμως, ένα άτομο μπορεί να περιγραφεί σαν κύμα και να βρεθεί σε υπέρθεση: να ακολουθεί, με έναν αυστηρά κβαντικό τρόπο, περισσότερες από μία πιθανές διαδρομές ταυτόχρονα.
Οι ερευνητές χρησιμοποίησαν νέφη υπέρψυχρων ατόμων ρουβιδίου πάνω σε ένα ειδικά σχεδιασμένο «τσιπ ατόμων». Με παλμούς μικροκυμάτων έθεσαν τα άτομα σε κβαντική υπέρθεση και χώρισαν το κύμα κάθε ατόμου σε δύο μέρη.
Το ένα μέρος συγκρατήθηκε με ένα προσεκτικά ρυθμισμένο μαγνητικό πεδίο, του οποίου η ανοδική δύναμη εξισορροπούσε τη βαρύτητα. Το άλλο ωθήθηκε προς τα πάνω και στη συνέχεια αφέθηκε να πέσει ελεύθερα, ακολουθώντας μια βαλλιστική τροχιά — περίπου όπως μια μπάλα που πετάμε στον αέρα, μόνο που εδώ το «αντικείμενο» ήταν μέρος ενός κβαντικού κύματος.
Το ίχνος που άφησε η βαρύτητα
Στο τέλος του πειράματος, τα δύο μέρη επανενώθηκαν. Η συμβολή τους επέτρεψε στους επιστήμονες να μετρήσουν τη μικροσκοπική διαφορά στην κβαντική φάση που συσσωρεύτηκε όσο το ένα μέρος έπεφτε και το άλλο παρέμενε στη θέση του.
Η μετρημένη μεταβολή ήταν εκείνη που προβλέπεται όταν η αρχή της ισοδυναμίας του Αϊνστάιν εφαρμόζεται σε ένα κβαντικό κύμα. Με απλά λόγια, η αρχή λέει ότι για έναν παρατηρητή σε ελεύθερη πτώση η βαρύτητα τοπικά «εξαφανίζεται» — όπως θα συνέβαινε σε κάποιον μέσα σε έναν ανελκυστήρα που πέφτει ελεύθερα.
Η αρχή έχει δοκιμαστεί με εντυπωσιακή ακρίβεια στον κόσμο των συνηθισμένων αντικειμένων. Το δύσκολο ήταν να εξεταστεί άμεσα σε ένα σύστημα που συμπεριφέρεται σαν κύμα και μπορεί να ακολουθήσει δύο διαδρομές. Σύμφωνα με την ομάδα, αυτή είναι η πρώτη άμεση μέτρηση της προβλεπόμενης κβαντικής φάσης ενός αντικειμένου σε ελεύθερη πτώση.
Τι δεν απέδειξε το πείραμα
Το αποτέλεσμα είναι σημαντικό, αλλά χρειάζεται προσοχή. Δεν αποδεικνύει ότι η ίδια η βαρύτητα είναι κβαντική και δεν ενώνει τη Γενική Σχετικότητα με την κβαντομηχανική. Αυτή η ενοποίηση παραμένει ένα από τα μεγαλύτερα άλυτα προβλήματα της φυσικής.
Δείχνει, όμως, ότι στο εύρος που δοκιμάστηκε, η αρχή ισοδυναμίας παραμένει συμβατή με την κβαντική θεωρία. Είναι ένας ακόμη έλεγχος σε ένα σύνορο όπου δύο εξαιρετικά επιτυχημένες περιγραφές της φύσης συναντιούνται, χωρίς ακόμη να έχουν γίνει μία ενιαία θεωρία.
Δες κ αυτό
Το επόμενο βήμα μπορεί να είναι ένα νανοδιαμάντι
Η τεχνική ανοίγει τον δρόμο για πειράματα με βαρύτερα αντικείμενα και μεγαλύτερους χρόνους υπέρθεσης. Η ίδια ερευνητική κατεύθυνση εξετάζει ήδη τη χρήση νανοδιαμαντιών, ώστε να δοκιμαστεί αν η κβαντική συμπεριφορά παραμένει αναλλοίωτη όσο αυξάνεται η μάζα.
Ο Ρότζερ Πένροουζ, που συμμετείχε στη μελέτη, έχει υποστηρίξει ότι η κβαντομηχανική ίσως παύει να ισχύει με τον γνωστό τρόπο για αρκετά βαριά αντικείμενα που παραμένουν σε υπέρθεση για αρκετό χρόνο. Το νέο πείραμα δεν έφτασε σε αυτές τις συνθήκες και δεν αναιρεί την ιδέα. Προσφέρει, όμως, ένα εργαλείο που μπορεί κάποτε να τη δοκιμάσει.
Ο Αϊνστάιν, λοιπόν, δεν «νίκησε» την κβαντική φυσική ούτε το αντίστροφο. Για την ώρα, το παράξενο άτομο που έπεσε σε μία διαδρομή ενώ έμενε ακίνητο σε μια άλλη μάς λέει κάτι πιο λεπτό: στο σημείο που κοιτάξαμε, οι δύο κόσμοι εξακολουθούν να συμφωνούν.
Πηγές: University of Oxford, Department of Physics · Science Advances
Κύρια εικόνα: Landiva Weber / Pexels.
