Mokslininkai paleido 20 000 atomų kristi: ar Einsteino gravitacija veikia ir kvantiniame pasaulyje?

Paleisti atomą kristi nuo kelių mikrometrų aukščio neatrodo eksperimentas, kuriam reikėtų Nobelio premijos laureato, tarptautinės fizikų komandos ir vienos sunkiausių šiuolaikinės fizikos problemų.

Tačiau šiuo atveju atomas nebuvo tiesiog mažytis kamuoliukas.

Jis buvo paruoštas taip, kad jo kvantinė banga galėtų eiti dviem skirtingais keliais vienu metu.

Viena dalis buvo laikoma vietoje. Kita – paleista laisvai kristi.

Po kelių milisekundžių abi buvo vėl sujungtos.

Tikslas – pažiūrėti, ar gravitacija paliko kvantinį „piršto atspaudą“ būtent tokį, kokio reikėtų, jei vienas svarbiausių Alberto Einsteino gravitacijos principų galiotų ir pasaulyje, kuriame objektai elgiasi kaip bangos.

2026 m. rugsėjo 2 d. „Science Advances“ paskelbtas tyrimas parodė, kad atsakymas šiomis sąlygomis yra teigiamas.

Einsteinas dar kartą atsilaikė.

Tačiau iškart reikia pridėti labai svarbią pastabą: mokslininkai neįrodė, kad gravitacija pati yra kvantinė.

Fizika turi dvi nepaprastai geras teorijas – ir jos nenori tapti viena

XX amžiaus fizika pastatyta ant dviejų milžiniškų pamatų.

Kvantinė mechanika aprašo atomus, elektronus, fotonus ir kitus mikroskopinius objektus. Joje dalelė gali būti superpozicijoje, rezultatai aprašomi tikimybėmis, o objektai pasižymi ir dalelių, ir bangų savybėmis.

Bendroji reliatyvumo teorija aprašo gravitaciją.

Einsteino požiūriu gravitacija nėra paprasčiausia nematoma jėga, tempianti daiktus žemyn. Masė ir energija iškreipia erdvėlaikį, o planetos, žvaigždės ir krintantys objektai juda tame iškreiptame erdvėlaikyje.

Abi teorijos patikrintos nepaprastai tiksliai.

Problema prasideda tada, kai reikia situacijos, kurioje ir stipri gravitacija, ir kvantiniai reiškiniai tampa svarbūs vienu metu.

Juodosios skylės centras ir pati ankstyviausia Visata yra garsiausi pavyzdžiai. Ten vien klasikinės Einsteino gravitacijos arba vien įprastos kvantinės fizikos nebepakanka.

Vis dar neturime eksperimentiškai patvirtintos kvantinės gravitacijos teorijos, kuri nuosekliai sujungtų abu aprašymus.

Kodėl šias dvi teorijas taip sunku „sukalbinti“?

Labai supaprastinus, kvantinė fizika paprastai daro prielaidą, kad reiškiniai vyksta tam tikrame erdvėlaikio fone.

Bendrojoje reliatyvumo teorijoje pats šis fonas nėra pasyvus.

Erdvėlaikis yra fizikinės sistemos dalis. Jis gali išsilenkti, plėstis, skleisti gravitacines bangas.

Tada iškyla keistas klausimas: jeigu materija gali būti kvantinėje superpozicijoje – pavyzdžiui, tarsi dviejose vietose vienu metu – kas tuo metu nutinka jos kuriamam gravitaciniam laukui ir pačiam erdvėlaikiui?

Ar ir jis turi būti superpozicijoje?

Mes kol kas neturime galutinio eksperimentiškai patvirtinto atsakymo.

Dar viena praktinė problema – gravitacija atomų masteliu yra nepaprastai silpna. Elektromagnetinius poveikius kvantiniuose eksperimentuose išmatuoti daug lengviau, o mažytį gravitacijos signalą labai lengva paskandinti vibracijose, magnetiniuose laukuose ar kitame triukšme.

Eksperimentas prasideda nuo Einsteino „laimingiausios minties“

Vienas bendrosios reliatyvumo teorijos pamatų yra ekvivalentiškumo principas.

Jo intuiciją galima suprasti be formulės.

Įsivaizduokite žmogų uždarame lifte.

Jeigu lifto trosas nutrūktų ir visas liftas laisvai kristų, žmogus ir visi daiktai jame kristų kartu. Trumpą akimirką viduje atrodytų, kad gravitacija dingo – žmogus plūduriuotų nesvarumo būsenoje.

Būtent suvokimas, kad laisvojo kritimo sistemoje gravitacijos poveikį lokaliai galima pašalinti, Einsteinui tapo vienu kelių į bendrąją reliatyvumo teoriją.

Oksfordo universiteto eksperimento pristatyme šis principas apibūdinamas būtent per laisvai krintančio lifto analogiją.

Su kamuoliu ar žmogumi idėja aiški.

Bet ką reiškia „laisvai kristi“, kai objektas yra kvantinė banga?

Tam mokslininkai pastatė „Kvantinį Galileo interferometrą“

Eksperimentą atlikusi Ben Guriono universiteto komanda naują aparatą pavadino Quantum Galileo Interferometer – Kvantiniu Galileo interferometru.

Galileo vardas pasirinktas neatsitiktinai: laisvojo kritimo dėsniai yra viena seniausių gravitacijos eksperimentų temų.

Tik dabar vietoj nuo bokšto metamų rutulių naudojami maždaug 20 000 rubidžio atomų.

Kaip išsamiau aprašyta eksperimento apžvalgoje, atomai buvo atšaldyti beveik iki absoliutaus nulio ir paruošti kaip Bose'o–Einsteino kondensatas.

Tokiomis sąlygomis atomų kvantinės savybės tampa pakankamai tvarkingos, kad visą debesį būtų galima labai tiksliai manipuliuoti.

Tada įvyksta keisčiausia dalis: atomas tarsi krinta ir lieka vietoje

Posakis „20 000 atomų numetė žemyn“ yra patrauklus, tačiau ne visai perteikia eksperimento gudrybę.

Mikrobangų impulsais mokslininkai kiekvieno atomo būseną paruošė kvantinėje superpozicijoje.

Tai leido atomo materijos bangą valdyti tarsi du interferometro kelius.

Vienai bangos daliai buvo parinkta būsena, kuri reagavo į specialiai atomo luste sukurtą magnetinį lauką. Magnetinė jėga buvo sureguliuota taip, kad veiktų į viršų ir kompensuotų Žemės gravitaciją.

Ši bangos dalis praktiškai liko vietoje laboratorijos atžvilgiu.

Kita dalis buvo trumpai stumtelėta į viršų ir perjungta į būseną, beveik nereaguojančią į magnetinį lauką.

Tada ji judėjo taip, kaip juda į viršų mestas kamuolys: kilo, akimirką sustojo ir pradėjo kristi veikiama gravitacijos.

Ben Guriono universitetas eksperimento principą apibūdina kaip vienos kvantinės bangos dalies laikymą Žemės atskaitos sistemoje ir kitos palikimą laisvajame kritime.

Kaip pamatyti tai, ko tiesiogiai pamatyti neįmanoma?

Kvantinė banga turi savybę, vadinamą faze.

Lengviausia ją įsivaizduoti kaip bangos ritmo padėtį.

Dvi vienodos vandens bangos gali susitikti taip, kad jų keteros sutaptų – tada jos sustiprėja. Arba vienos ketera gali pataikyti į kitos įdubą – tada jos viena kitą slopina.

Panašiai veikia ir kvantinė interferencija.

Pačios absoliučios kvantinės fazės paprastai tiesiogiai neišmatuojame. Tačiau galime palyginti dviejų kelių fazių skirtumą.

Todėl laisvai nukritusi ir vietoje laikyta atomo bangos dalys eksperimento pabaigoje buvo labai tiksliai suvestos atgal.

Joms persidengus atsirado interferencijos signalas.

Iš jo galima perskaityti, kokį fazės skirtumą abi bangos sukaupė eidamos skirtingais keliais.

Gravitacija paliko beveik būtent tokią žymę, kokios tikėtasi

Teorija numato labai charakteringą rezultatą.

Didėjant laisvojo kritimo laikui kvantinės fazės skirtumas turi augti ne tiesiog proporcingai laikui, o labai specifiniu būdu – pagrindinis narys priklauso nuo laiko kubo.

Kitaip tariant, padidinus laisvojo kritimo trukmę, fazės efektas auga labai greitai.

Tyrėjai išmatavo būtent šį elgesį.

Recenzuotame „Science Advances“ darbe autoriai daro išvadą, kad stebėtas laisvai krintančios bangos fazės pokytis sutampa su tuo, kas gaunama kvantinę mechaniką derinant su ekvivalentiškumo principu.

Tai ir yra svarbiausias eksperimento rezultatas.

Einsteino principas, gimęs galvojant apie liftus, krintančius kūnus ir klasikinę gravitaciją, pasirodė suderinamas ir su objektu, kuris vienu metu keliauja dviem kvantiniais keliais.

Svarbi pataisa: gravitacija su kvantiniais objektais matuota ir anksčiau

Žinią būtų lengva perdėti ir paskelbti, kad iki šiol niekas nebuvo stebėjęs gravitacijos veikimo kvantiniame pasaulyje.

Tai būtų netikslu.

Jau dešimtmečius atliekami neutronų ir atomų interferometrijos eksperimentai, kuriuose kvantinės dalelės naudojamos gravitacijai matuoti. Šiuolaikiniai atomų interferometrai gali būti itin tikslūs gravimetrai.

Ispanijos „Science Media Centre“ ekspertų komentare pabrėžiama, kad naujovė nėra pats faktas, jog gravitacija veikia kvantinį objektą.

Naujovė – konkrečiai laisvai krintančios kvantinės bangos fazės išmatavimas, palyginant ją su laboratorijoje nejudančia bangos dalimi, ir tiesioginis šio rezultato susiejimas su ekvivalentiškumo principo kvantine forma.

Tai gerokai siauresnis, bet moksliškai daug tikslesnis teiginys.

Ar tai reiškia, kad gravitacija pagaliau pasirodė esanti kvantinė?

Ne.

Tai turbūt svarbiausia viso tyrimo riba.

Eksperimente kvantinis buvo atomas – jo būsena, superpozicija ir interferencija.

Žemės gravitacinį lauką šiame bandyme vis dar galima aprašyti klasikiniu būdu.

Rezultatas nerodo, kad gravitacinis laukas pats buvo superpozicijoje, kad aptiktas hipotetinis gravitonas ar kad du objektai buvo kvantiškai susieti vien tik gravitacijos dėka.

Oksfordo universitetas savo oficialiame tyrimo pristatyme šią ribą įvardija tiesiai: eksperimentas nei suvienija kvantinę mechaniką su gravitacija, nei įrodo, kad pati gravitacija yra kvantinė.

Jis patikrina vieną vietą, kur abi teorijos turi susitikti – ir ten prieštaravimo kol kas neranda.

Kvantinė materija gravitacijoje nėra tas pats, kas kvantinė gravitacija

Skirtumą galima pamatyti per paprastą analogiją.

Įsivaizduokite kvantinį atomą kaip labai keistą keleivį, o gravitaciją – kaip kelią.

Naujasis eksperimentas klausia: ar kvantinis keleivis gali važiuoti Einsteino keliu taip, kaip prognozuoja mūsų teorijos?

Atsakymas – taip.

Tačiau tikroji kvantinės gravitacijos problema klausia daug radikaliau: ar pats kelias turi kvantines savybes?

Ar erdvėlaikis gali būti superpozicijoje? Ar gravitacinis laukas gali perduoti kvantinę informaciją? Ar gravitacija turi savo kvantą?

Šių klausimų naujas eksperimentas dar neatsako.

Jei revoliucijos nėra, kodėl fizikai vis tiek džiaugiasi?

Fundamentinėje fizikoje svarbūs ne tik eksperimentai, kurie sugriauna teoriją.

Ne mažiau svarbu tiksliai patikrinti ribas, kuriose dvi labai skirtingos teorijos persidengia.

Jei rezultatas būtų nukrypęs nuo prognozės ir nebūtų paaiškinamas eksperimentine klaida, tai galėtų būti ženklas, kad mūsų dabartiniame kvantinės materijos ir gravitacijos aprašyme kažko trūksta.

Vietoj to eksperimentas parodė, kad mažos energijos ir atominių masių režime kvantinė mechanika bei Einsteino ekvivalentiškumo principas sugyvena labai tvarkingai.

Tai susiaurina vietas, kuriose verta ieškoti naujos fizikos.

Jeigu lūžis egzistuoja, gali būti, kad jam reikia gerokai didesnės masės, ilgesnės superpozicijos arba stipresnio gravitacinio poveikio.

Čia atsiranda Rogerio Penrose'o idėja: gal dideli objektai nebegali būti „dviejose vietose“?

Tarp naujojo darbo autorių yra 2020 m. Nobelio fizikos premijos laureatas Rogeris Penrose'as.

Penrose'as jau seniai svarsto galimybę, kad gravitacija gali nustatyti ribą įprastai kvantinei superpozicijai.

Labai supaprastinus jo idėją: elektroną ar atomą galima paruošti būsenoje, kuri apima kelias galimas padėtis. Tačiau jei tą patį padarytume pakankamai masyviam objektui, skirtingos masės padėtys reikštų ir skirtingas erdvėlaikio geometrijas.

Penrose'as siūlo, kad tokia būsena gali būti nestabili ir po tam tikro laiko savaime „sugriūti“ į vieną variantą.

Naujasis 20 000 atomų eksperimentas šios hipotezės nepatikrino.

Oksfordo komanda pabrėžia, kad naudotos masės ir superpozicijos trukmės buvo gerokai per mažos tokiam testui.

Todėl kitas taikinys – nanodeimantai

Vienas įdomiausių eksperimento palikimų gali būti pats interferometras.

Ben Guriono universiteto grupė jau dirba su daug masyvesniais objektais – nanodeimantais.

Atomas yra labai lengvas. Nanodeimante gali būti milžiniškas atomų skaičius, todėl jo kvantinę būseną išlaikyti švarią ir izoliuotą yra nepalyginamai sunkiau.

Jei mokslininkams pavyktų tokį objektą paruošti erdvinei superpozicijai, būtų galima pradėti tikrinti klausimus, kurių dabartinis rubidžio eksperimentas nepasiekia.

Dar ambicingesni pasiūlymai siekia patikrinti, ar dviejų kvantinėse superpozicijose esančių masių gravitacinė sąveika gali sukurti kvantinį susietumą.

Jei būtų parodyta, kad vien gravitacija gali tarpininkauti tokiam ryšiui, tai būtų daug tiesioginė užuomina apie pačios gravitacijos neklasikinę prigimtį.

Tokio tipo eksperimentų teoriniai principai ir alternatyvūs testai aktyviai kuriami – pavyzdžiui, 2024 m. „Physical Review Letters“ publikuotas pasiūlymas nagrinėja, kaip laboratorijoje būtų galima patikrinti, ar gravitacinis laukas elgiasi kaip kvantinis objektas.

Kodėl reikėjo 20 000 atomų, jei tikrinama vieno atomo kvantinė fizika?

Vieno atomo signalas būtų nepaprastai sunkiai išmatuojamas.

Didelis ultr šaltų atomų debesis leidžia tą patį kvantinį procesą stebėti daug kartų vienu metu ir statistiškai tiksliau nustatyti interferencijos rezultatą.

Tai šiek tiek primena apklausą.

Vieno žmogaus atsakymas nedaug pasako apie bendrą tendenciją. Jei tą patį klausimą užduodame tūkstančiams vienodai paruoštų kvantinių sistemų, gauname labai tikslų tikimybių pasiskirstymą.

Atomai čia nėra 20 000 mažų krintančių rutuliukų, kurių kritimo laiką mokslininkai matuoja chronometru.

Jų vertė – kolektyviai išryškinti mikroskopinį kvantinės fazės signalą.

Nuo Galileo rutulių iki atomo, kuris eina dviem keliais

Gravitacijos istorijoje yra graži pasikartojanti tema.

Galileo klausė, kaip krinta skirtingi kūnai.

Newtonas pavertė kritimą ir planetų judėjimą viena gravitacijos teorija.

Einsteinas suprato, kad laisvasis kritimas atskleidžia daug gilesnį ryšį tarp gravitacijos, pagreičio ir erdvėlaikio.

Dabar eksperimentatoriai tą patį klausimą kelia objektui, kuriam klasikinis sakinys „jis yra šioje vietoje ir juda šia trajektorija“ nebėra pakankamas aprašymas.

Atomas gali būti superpozicijoje. Jo materijos banga gali būti padalyta ir vėl sujungta.

Ir vis dėlto, kai mokslininkai paleido vieną jos dalį laisvai kristi, o kitą paliko laboratorijoje, gravitacijos poveikis pasirodė būtent toks, kokį galima išvesti iš Einsteino principo.

Taigi ar gravitacija veikia ir kvantiniame pasaulyje?

Taip – kvantiniai objektai gravitaciją jaučia, o naujasis eksperimentas parodė, kad laisvai krintančios kvantinės bangos fazė elgiasi taip, kaip numato ekvivalentiškumo principas.

Tačiau tai nėra galutinis fizikos galvosūkio sprendimas.

Mes vis dar nežinome, kas nutinka, kai ne tik materija yra kvantinė, bet ir jos sukuriamas gravitacinis laukas nebegali būti laikomas paprastu klasikiniu fonu.

20 000 rubidžio atomų šios ribos dar nepasiekė.

Tačiau jie padėjo ją priartinti.

Ir naujojo eksperimento žinutė šiuo metu gana aiški: ten, kur pagaliau pavyko labai tiesiogiai sulyginti Einsteino laisvąjį kritimą su kvantine superpozicija, abi teorijos nesusipyko.

Tikroji kova, panašu, vyksta dar giliau.