Команда под руководством физика Ron Folman из Университета имени Бен-Гуриона в Негеве, в которую вошли исследователи из Германии, Великобритании и США, а также лауреат Нобелевской премии Roger Penrose, поместила один атом в суперпозицию двух разных траекторий, чтобы изучить пересечение квантовой механики и теории относительности. В установке под названием Quantum Galileo Interferometer (QGI) атом на одном пути находился в свободном падении, тогда как атом на другом пути удерживался на месте. Два пути одновременно и в одной точке объединяли, после чего измеряли разность фаз, вызванную падением атома в его волновом свойстве.
Волновую природу атомов можно наблюдать только при температурах, близких к абсолютному нулю, и очень низких скоростях. Поскольку фазу невозможно измерить напрямую, необходимо разделить одну частицу на две траектории, а затем снова объединить их. Однако в эксперименте со свободным падением ускорение падающего атома могло нарушить квантовую интерференцию, поскольку давало бы информацию о том, по какому пути он двигался. Команда решила эту проблему, запустив один из атомов вверх, чтобы он под действием силы тяжести вернулся в исходную точку, а другой удерживая в воздухе с помощью магнитной силы. Когда падающий атом возвращался, второй магнитный импульс останавливал его скорость в момент достижения исходной точки.
QGI использует микроволновые и магнитные импульсы; около 20,000 атомов рубидия формируют конденсат Бозе — Эйнштейна, удерживаемый полями, создаваемыми микроскопическими проводами на чипе. Чип расположен вверх дном примерно в 113 микрометрах над атомами. Максимальное расстояние между траекториями достигало примерно 7,5 микрометра, а самое продолжительное время полёта — двух тысячных секунды. Наблюдалось, что по мере увеличения продолжительности падения фаза возрастала, а данные показывали разность фаз, предсказанную теорией.
Исследователи заявили, что впервые показали работу принципа эквивалентности в системе, находящейся в квантовой суперпозиции. Измеренная фаза отличалась от теоретического предсказания на 2,5 процента. Команда отметила, что эксперимент стал контрольной точкой для проверки границы между теорией относительности Einstein и квантовой механикой.
Лаборатория Folman теперь работает над более крупным QGI, который позволит привести в состояние суперпозиции нанoалмазы, масса которых на 10 порядков величины превышает массу атомов. Цель состоит в том, чтобы проверить суперпозицию различных кривизн пространства-времени и наблюдать квантовый коллапс, предсказанный в гипотезе Penrose и Lajos Diósi. Команда надеется, что это станет возможным через четыре или пять лет. Работа была опубликована в Science Advances в 2026 году; DOI: 10.1126/sciadv.aec8045.
Почему это важно
Это исследование дает экспериментальное основание считать, что принцип эквивалентности не ограничивается движением только классических объектов и может быть проверен также для одной системы в квантовой суперпозиции. Поэтому результат создает контрольную точку, которую можно использовать в исследованиях, рассматривающих квантовую механику и теорию относительности вместе, для оценки согласованности двух теорий. Отклонение измерения от теоретического предсказания на 2,5 процента ставит вопрос о повторной проверке метода на более крупных системах. В частности, для исследователей, работающих на стыке квантовой физики, гравитации и фундаментальной физики, открытым остается вопрос о том, сохранится ли этот принцип также в суперпозиции нанoалмазов, значительно более тяжелых, чем атомы, и как он будет вести себя вместе с различными кривизнами пространства-времени.