Když obě části znovu spojili, odhalili nepatrný posun v jejich kvantové fázi. Výsledek nové studie odpovídal předpovědi Alberta Einsteina a přinesl nový pohled na jednu z největších záhad moderní fyziky, tedy jak spolu vlastně souvisejí gravitace, čas a podivný kvantový svět.
Na první pohled se experiment zdá téměř absurdní. Pokud něco pustíte z ruky, začne to padat. Zemská gravitace působí na kámen, člověka, planetu i atom. Jenže v kvantovém světě přestávají naše běžné představy fungovat.
Částice se zde nemusejí chovat pouze jako drobné kuličky pohybující se z jednoho místa na druhé. Mohou se projevovat jako vlny a nacházet se v takzvané superpozici. To znamená, že jejich kvantový stav může současně obsahovat několik možných cest. A právě této vlastnosti vědci využili.
Galileův interferometr
Tým vedený fyzikem Ronem Folmanem z Ben Gurionovy univerzity v Izraeli vytvořil takzvaný kvantový Galileův interferometr. Jde o zařízení navržené k testování účinků gravitace na objekty v kvantovém světě.
Přibližně 20 000 atomů rubidia nejprve ochladili na teplotu těsně nad absolutní nulou (cca −273,15 °C). Vznikl tak extrémně chladný kvantový stav známý jako Boseho-Einsteinův kondenzát, v němž se chování atomů dá studovat s mimořádnou přesností. A potom přišel na řadu zajímavý trik.
Vědci rozdělili kvantovou vlnu atomů do dvou různých drah. Jedna zůstala vůči laboratoři prakticky nehybná. Magnetické pole působilo proti gravitaci a drželo ji na místě. Druhá část dostala impuls směrem vzhůru a potom byla ponechána volnému pádu.
Na klasické úrovni by šlo o dva naprosto odlišné pohyby. Jedna část by stála, druhá padala. V kvantovém světě však oba stavy mohly existovat v rámci jednoho rozděleného kvantového systému. Vědci následně obě části znovu spojili. A právě v tomto okamžiku se ukázalo něco, co nebylo možné přímo vidět, ale co bylo možné změřit.
Volně padající část kvantové vlny získala oproti nehybné části nepatrný fázový posun. Když se obě vlny znovu překryly, vytvořily interferenční obrazec, podobně jako vlny na vodní hladině. Z jeho podoby bylo možné vyčíst, co s kvantovým stavem během pádu udělala gravitace. Výsledek souhlasil s předpovědí, kterou fyzici odvodili z Einsteinova principu ekvivalence. A tím se dostáváme k mnohem hlubší otázce.
Problémy s gravitací
Princip ekvivalence patří k samotným základům Einsteinovy obecné relativity. Zjednodušeně říká, že lokálně není možné rozlišit účinek gravitačního pole od účinku zrychleného pohybu (setrvačnosti). Právě tato myšlenka byla jedním z klíčových stavebních kamenů Einsteinovy teorie gravitace.
Nový experiment ukázal, že tato předpověď funguje i pro kvantový objekt v režimu, kde se jeho stav chová jako vlna. A zde má fyzika zásadní problém.
Na jedné straně stojí obecná relativita, která přesně popisuje gravitaci, pohyb planet, černé díry, rozpínání vesmíru nebo zakřivení časoprostoru. Na druhé straně je kvantová mechanika, která popisuje svět atomů a elementárních částic. Obě teorie fungují. Každá ale používá jiný způsob popisu reality. A jakmile se pokusíme dostat do situace, kde musí platit obě současně, začínají potíže.
Jedním z největších problémů současné fyziky proto zůstává otázka, zda lze gravitaci popsat také kvantově. Má gravitace vlastní kvantové vlastnosti? Existuje částice gravitace, hypotetický graviton? Nebo je gravitace něco hlubšího, co vzniká z jiných kvantových principů?
Nový experiment na žádnou z těchto otázek definitivně neodpovídá. Vědci neprokázali kvantovou gravitaci a Einsteinova teorie nebyla překonána. Experiment pouze ukázal, že princip ekvivalence zůstává v souladu s kvantovým chováním atomů v režimu, který bylo dosud velmi obtížné experimentálně prozkoumat.
Přesto může jít o významný krok. Dosavadní pokusy testovaly gravitaci především na objektech, které se řídí klasickou fyzikou. Tady se vědci dostali mnohem blíže k hranici, kde se běžná představa o částici jako malém objektu začíná rozpadat.
Atom může být současně popsán jako částice i jako vlna. Může být připraven do superpozice různých stavů. A jeho kvantová fáze může nést informaci o tom, jak na něj působí gravitace. Ještě zajímavější je, kam může výzkum pokračovat.
Rozkládá gravitace kvantové superpozice?
Samotný experiment zatím pracoval s relativně malými objekty a krátkými časovými měřítky. Jedna z dalších cest vede k mnohem větším kvantovým systémům. Výzkumníci doufají, že podobné experimenty by jednou mohly testovat objekty o mnoho řádů větší než jednotlivé atomy. V souvislosti s tím se otevírá i známá myšlenka fyzika a nositele Nobelovy ceny Rogera Penrose, podle níž by gravitace mohla hrát roli při rozpadu kvantových superpozic. Současný experiment však tuto hypotézu ještě netestuje.
Možná tedy stojíme na prahu experimentů, které jednou ukážou, zda lze kvantovou mechaniku a gravitaci skutečně spojit. A možná zjistíme, že problém je mnohem hlubší. Pokud se totiž jednou podaří pochopit, jak se gravitace chová v kvantovém světě, nemusí jít pouze o další potvrzení Einsteinovy teorie. Může to být klíč k úplně novému pohledu na samotný časoprostor.
Vědci zatím vědí jistě jen to, že i ten nejmenší kvantový svět se stále musí nějakým způsobem vypořádat s gravitací Země. A když se atom rozdělí na dva směry, gravitace po sobě zanechá stopu v samotné kvantové fázi. Pravděpodobně je to jen další potvrzení toho, že Einstein měl pravdu.
Zdroj: Science Advances, University of Oxford
