Od ponad stu lat ogólna teoria względności i mechanika kwantowa stoją po przeciwnych stronach barykady, udając, iż ta druga nie istnieje.
Choć obie teorie modelu rzeczywistości całkiem dobrze opisują różne skale naszego wszechświata, to ich matematyczne fundamenty nie chcą się ze sobą skleić. Właśnie wykonano jednak eksperyment, który wpuścił słynną einsteinowską windę bezpośrednio do świata kwantowych prawdopodobieństw. Wynik? choćby jeżeli pojedynczy atom rozepniemy w przestrzennej superpozycji, grawitacja traktuje go z uderzającą, geometryczną elegancją.
Najszczęśliwsza myśl urzędnika z Berna
W 1907 roku Albert Einstein, ślęcząc nad nudnymi wnioskami w urzędzie patentowym w Bernie, wpadł na pomysł, który później sam nazwał najszczęśliwszą myślą swojego życia. Zrozumiał, iż człowiek w swobodnie spadającej windzie nie czuje własnego ciężaru. Wypuszczone z jego dłoni klucze lewitują tuż obok, jakby całe ziemskie przyciąganie po prostu wyparowało. Ta intuicja stała się zalążkiem tzw. słabej zasady równoważności, a niedługo później fundamentem ogólnej teorii względności. Einstein uznał, iż grawitacja wcale nie jest tradycyjną (w sensie newtonowskim) siłą przyciągania, ale geometrycznym zakrzywieniem czasoprzestrzeni, a swobodny spadek to naturalny ruch wzdłuż jej krzywizn.
Przez ostatnie stulecie zasadę równoważności testowano z pedantycznym uporem. Zrzucano kule z wieży w Pizie, astronauta David Scott upuszczał młotek i sokole pióro na powierzchnię Księżyca, a satelita MICROSCOPE mierzył przyspieszenie próbek na orbicie z dokładnością do piętnastu miejsc po przecinku. Wszystkie te próby miały jednak wspólny mianownik: dotyczyły obiektów makroskopowych, przynależących do świata fizyki klasycznej. Prawdziwe schody zaczynają się wtedy, gdy do tej samej windy próbujemy zaprosić, czy może raczej, zaobserwować i zbadać zachowanie cząstek elementarnych.
Gdy do kabiny wsiada fala Schrödingera
W mikroświecie sprawa się komplikuje. Cząstki nie poruszają się po wytyczonych torach, ale rozlewają się w przestrzeni jako fale prawdopodobieństwa, a pojedynczy obiekt potrafi trwać w superpozycji wielu położeń naraz. Już w latach dwudziestych ubiegłego wieku fizycy przewidywali, iż grawitacja powinna zostawiać w świecie mikroskopowym specyficzny podpis. Cząstka kwantowa zachowuje się przecież jak fala, a każda fala ma swój wewnętrzny rytm. Spadając swobodnie ku Ziemi, atom powinien nakręcać ten wewnętrzny rytm w szalonym tempie – proporcjonalnie aż do trzeciej potęgi czasu trwania spadku.
Przez niemal sto lat bezpośrednie zmierzenie tego zjawiska uchodziło za mrzonkę. Każde najdrobniejsze drganie laboratoryjnego stołu, szum termiczny czy fluktuacja pola magnetycznego natychmiast niszczyły delikatny stan kwantowy, zanim grawitacja zdążyła odcisnąć na nim swój ślad. Zmieniło się to dopiero za sprawą pracy międzynarodowego zespołu fizyków pod kierownictwem Ora Dobkowskiego z izraelskiego Ben-Gurion University of the Negev, której wyniki opublikowano w Science Advances.
Rozpołowić atom na krzemowym chipie
Zamiast budować gigantyczne wieże zrzutowe, badacze zamknęli całe laboratorium w miniaturowej komorze próżniowej na powierzchni tak zwanego chipa atomowego. Ich instrument, ochrzczony mianem Kwantowego Interferometru Galileusza, przeprowadził operację o chirurgicznej precyzji.
Najpierw chmurę dwudziestu tysięcy atomów rubidu-87 schłodzono laserami do temperatur bliskich zeru bezwzględnemu, tworząc ultrazimny kondensat Bosego-Einsteina. Następnie krótki impuls mikrofalowy wprowadził atomy w superpozycję dwóch stanów kwantowych, rozszczepiając funkcję falową każdego z nich na dwie alternatywne ścieżki.
Wtedy rozpoczął się adekwatny spektakl. dzięki mikroskopijnych przewodników na powierzchni chipa wytworzono precyzyjny gradient pola magnetycznego, który oddziaływał tylko na jeden ze stanów atomu, idealnie równoważąc ziemskie przyspieszenie grawitacyjne. Ta część fali materii zawisła nieruchomo w próżni. W tym samym ułamku sekundy druga połowa atomu, całkowicie obojętna na pole magnetyczne, została lekko podrzucona i pozostawiona w całkowicie swobodnym spadku. W ten sposób ten sam atom jednocześnie spoczywał na niewidzialnej podłodze laboratorium i spadał w einsteinowskiej kabinie.
Osiemdziesiąt radianów wierności
Kiedy po ułamku sekundy obie składowe fali ponownie połączono, doszło do zjawiska interferencji. Różnica czasoprzestrzennych losów obu ścieżek zapisała się w przesunięciu fazy kwantowej o wartości niemal osiemdziesięciu radianów, co przekłada się na około trzynaście pełnych oscylacji.
Pomiary z Kwantowego Interferometru Galileusza co do joty pokryły się z matematycznymi przewidywaniami. Oznacza to, iż przejście do układu swobodnie spadającego likwiduje grawitację lokalnie również w równaniach mechaniki kwantowej, rządzonych fazami zespolonymi. Mówiąc prościej: choćby kiedy materia jest przestrzennie rozmyta i zawieszona w kwantowej nieoznaczoności, jej falowa natura bezbłędnie respektuje einsteinowski fundament geometrii czasoprzestrzeni.
Chłodna głowa i wielkie nazwiska
Eksperyment natychmiast wywołał falę krzykliwych nagłówków o rozwikłaniu największej zagadki wszechświata, jednak ten entuzjazm warto przefiltrować przez zdrowy rozsądek. Badacze z zespołu Dobkowskiego nie odkryli mitycznej Teorii Wszystkiego ani nie stworzyli kwantowej grawitacji. W ich układzie ziemskie pole grawitacyjne wciąż pozostawało klasycznym, gładkim tłem, a eksperyment nie szukał grawitonów ani nie weryfikował teorii strun. Osiągnięcie polega na czymś innym: to pierwszy namacalny, laboratoryjny dowód na to, iż Słaba Zasada Równoważności nie załamuje się w zderzeniu z przestrzenną superpozycją kwantową. Mówiąc najprościej jak się da: winda Einsteina działa nie tylko na obiekty makroskopowe – człowieka, klucze czy monety – ale też na kwantową funkcję falową. I właśnie tego fizykom przez całe stulecie nie udawało się dowieść w laboratorium.
Prawdziwa rewolucja kryje się w samej technologii chipa atomowego. Narzędzie o takiej czułości to idealny poligon pod znacznie cięższe kalibry teoretyczne. Nieprzypadkowo w gronie autorów publikacji w Science Advances opisującej eksperyment pojawia się sir Roger Penrose oraz pionierzy kwantowej teorii informacji, Vlatko Vedral i Chiara Marletto. Nowa aparatura pozwala wreszcie podejść do empirycznej weryfikacji hipotezy Penrose’a, według której to właśnie niestabilność czasoprzestrzeni wymusza załamanie funkcji falowej i wyznacza granicę między mikro- a makroświatem. W dalszej perspektywie otwiera to również drogę do testowania kwantowego splątania generowanego wyłącznie przez grawitację. Innymi słowy, być może uda się potwierdzić hipotezę, iż obiekty ze świata makro – choćby te mikroskopijne jak pyłek kurzu – nie realizowane są w superpozycji, bo ich funkcję falową załamuje sama grawitacja, a nie ów „mityczny obserwator” czy „akt pomiaru” z interpretacji kopenhaskiej fizyki kwantowej.
Pasażer w spadającej windzie z 1907 roku był zaledwie figurą retoryczną młodego urzędnika z Berna. Dziś fizycy posadzili na jego miejscu falę prawdopodobieństwa uwięzioną w krzemowej płytce i dowiedli, iż winda działa bez zarzutu. Dwa wielkie imperia dwudziestowiecznej fizyki wciąż stoją osobno, ale most przerzucany nad przepaścią właśnie zyskał pierwszy, niewzruszony filar.
Kwantowi zabójcy infekcji. Grafenowe kropki kwantowe mogą zastąpić antybiotyki
Jeśli artykuł Winda Einsteina w świecie kwantów. Zmierzono najdziwniejszy swobodny spadek w historii fizyki nie wygląda prawidłowo w Twoim czytniku RSS, to zobacz go na iMagazine.
