O minge aruncată în sus revine la punctul de plecare. Un atom poate face ceva mai surprinzător: starea sa cuantică poate cuprinde simultan această mișcare și repausul. Cercetătorii au realizat un experiment în care cele două posibilități sunt reunite, pentru a măsura urma lăsată de evoluția lor diferită. Rezultatul verifică o predicție veche de aproape un secol și explorează legătura dintre mecanica cuantică și principiul echivalenței al lui Einstein.
Echipa condusă de Ron Folman, de la Universitatea Ben-Gurion din Israel, cu participarea unor cercetători precum Roger Penrose, a construit „interferometrul cuantic Galileo”. Dispozitivul compară două componente ale aceleiași unde de materie: una urmează o traiectorie balistică, iar cealaltă rămâne suspendată față de laborator.
În mecanica cuantică, atomul este descris printr-o funcție de undă. Aceasta are o fază, comparabilă intuitiv cu poziția într-un ciclu de oscilație. Faza globală nu se măsoară separat, dar diferența de fază dintre două componente ale unei stări cuantice influențează interferența lor: felul în care se întăresc sau se anulează reciproc când sunt suprapuse.
Experimentul urmărește tocmai această diferență. Atomul nu este rupt în două fragmente materiale; este pregătit într-o superpoziție de stări asociate unor traiectorii diferite.
Pentru aceasta, cercetătorii folosesc aproximativ 20.000 de atomi de rubidiu, răciți aproape de zero absolut și organizați într-un condensat Bose–Einstein. Răcirea permite controlul foarte precis al mișcării și observarea interferenței; ea nu creează caracterul cuantic al materiei.
Atomii se află sub un cip ale cărui conductoare microscopice generează câmpuri magnetice. Impulsurile de microunde pregătesc o superpoziție de două stări interne, care răspund diferit la aceste câmpuri. Un impuls magnetic lansează în sus una dintre componentele undei, asemenea unui tun miniatural.
Apoi, stările interne sunt inversate: componenta lansată devine aproape insensibilă la câmpul magnetic și continuă în cădere liberă. Aceasta include și urcarea, deoarece „cădere liberă” înseamnă mișcare sub acțiunea gravitației, nu obligatoriu deplasare în jos. Cealaltă componentă este menținută pe loc de o forță magnetică orientată în sus, care îi compensează greutatea.
La întoarcere, un nou impuls magnetic frânează componenta mobilă. Nu ajunge ca cele două componente să se întâlnească: trebuie potrivite și vitezele lor, pentru a obține o suprapunere bună și un semnal de interferență măsurabil. Separarea maximă a fost de aproximativ 7,5 micrometri, iar zborul a durat cel mult două milisecunde.
Miza teoretică pornește de la principiul echivalenței. Într-un reper aflat în cădere liberă, efectul unui câmp gravitațional uniform poate fi eliminat local din descrierea mișcării. În laborator, același corp este descris ca accelerând sub influența gravitației. Cele două descrieri trebuie să conducă la aceleași rezultate observabile.
Pentru o undă cuantică, trecerea între aceste repere implică și o transformare a fazei. Cercetătorii au observat dependența caracteristică de cubul duratei zborului, raportând un acord cu predicția la nivel de aproximativ 2,5%. Rezultatul este compatibil cu aplicarea principiului echivalenței în configurația investigată.
Interpretarea are însă limite. Existau deja experimente care studiau gravitația prin interferența particulelor; noutatea constă în această configurație și în comparația realizată. În plus, fizicienii Peter Asenbaum și Chris Overstreet au contestat interpretarea gravitațională a semnalului, atribuindu-l reculului magnetic. Autorii au răspuns că analiza trebuie să includă condițiile de suspendare și recombinare, care introduc gravitația în rezultat. Disputa privește semnificația măsurării, nu simpla existență a interferenței.
Experimentul nu unifică relativitatea generală și mecanica cuantică și nu dovedește că gravitația însăși este cuantică. El verifică o predicție într-un regim accesibil laboratorului.
Următorul obiectiv al echipei este realizarea unor superpoziții cu nanodiamante, mult mai masive decât atomii. Potrivit ipotezelor asociate lui Penrose și Lajos Diósi, gravitația ar putea provoca reducerea spontană a unor asemenea superpoziții. Toate masele produc efecte gravitaționale; avantajul obiectelor mai grele este posibilitatea de a face efectele relevante mai accesibile experimental.
O eventuală dispariție a interferenței ar trebui deosebită riguros de pierderea coerenței provocată de mediu. Abia atunci asemenea experimente ar putea constrânge modelele de colaps gravitațional și oferi indicii despre limitele mecanicii cuantice.
Sursa: ArsTechnica
