Atóm nechali padať a zároveň stáť na mieste. Výsledok potvrdil takmer 100-ročnú Einsteinovu teóriu

Fyzikom sa podaril historický míľnik, ktorý spája dva zdanlivo nezlučiteľné piliere modernej vedy. Vôbec po prvý raz zmerali nepatrný kvantový fázový posun, ktorý častica získa počas voľného pádu v gravitačnom poli Zeme. Ide o priamy dôsledok všeobecnej teórie relativity, ktorý fyzici predpovedali pred takmer storočím, no doteraz ho nikto nedokázal priamo pozorovať.

Medzinárodný tím vedcov umiestnil ultrachladné atómy rubídia do stavu kvantovej superpozície, v ktorom sa jediná častica pohybovala po dvoch odlišných dráhach súčasne. Kým jedna polovica atómu bola v stave úplného voľného pádu, druhá zostala nehybne visieť na mieste. Opätovné zlúčenie týchto dvoch dráh odhalilo nepatrný fázový posun, ktorý presne zodpovedá Einsteinovým rovniciam.

Výskum publikovaný v prestížnom vedeckom časopise Science Advances ukazuje, že základný pilier všeobecnej relativity bez zaváhania platí aj na subatomárnej úrovni. Výsledky prinášajú zásadný posun v chápaní základných zákonov vesmíru, podobne ako keď vedci zbúrali staré fyzikálne predpoklady v inom prelomovom výskume.

Najšťastnejšia myšlienka v dejinách modernej fyziky

Základom celého experimentu je takzvaný princíp ekvivalencie. Albert Einstein ho označil za „najšťastnejšiu myšlienku svojho života“ a postavil na ňom celú všeobecnú teóriu relativity. Princíp hovorí, že účinky gravitácie sú lokálne na nerozoznanie od účinkov zrýchlenia.

Klasickým príkladom je myšlienkový experiment s uzavretým výťahom bez okien. Človek vo vnútri nedokáže určiť, či tlak pod nohami spôsobuje gravitačné pole Zeme, alebo zrýchľujúci raketový motor v prázdnom medzihviezdnom priestore. V makroskopickom svete bol tento princíp overený s obrovskou presnosťou mnohokrát.

V kvantovom svete sa však častice nesprávajú ako pevné guľôčky, ale ako vlnenia. Každá vlnová funkcia nesie vlastnosť zvanú fáza, ktorá určuje polohu jej vrcholov a údolí. Ak sa dve vetvy tej istej vlnovej funkcie stretnú po prekonaní rôznych dráh, ich fázový rozdiel vytvorí merateľný interferenčný obrazec.

Atóm, ktorý padá a zároveň stojí na mieste

V roku 1927 fyzici Charles Galton Darwin a Earle Kennard teoreticky odvodili, že vlnová funkcia vo voľnom páde by mala akumulovať fázový posun úmerný tretej mocnine času pádu. Ak sa teda čas pádu zdvojnásobí, fázový posun narastie až osemnásobne. Praktické overenie tejto hypotézy však narážalo na obrovské technologické limity.

Až tím pod vedením profesora Rona Folmana z Ben-Gurionovej univerzity v Izraeli v spolupráci s oxfordským fyzikom Vlatkom Vedralom zostrojil aparatúru schopnú takýto experiment vykonať. Vedci ochladili približne 20 000 atómov rubídia na teplotu tesne nad absolútnou nulou, čím vytvorili Boseho-Einsteinov kondenzát.

Tieto atómy umiestnili iba 113 mikrometrov pod špeciálny „atómový čip“ so zlatými vodičmi hrubými len 2 mikrometre. Pomocou rádiových a mikrovlnných impulzov uviedli každý atóm do superpozície dvoch rôznych magnetických stavov.

Kvantový interferometer a Darwinova storočná predpoveď

Magnetický impulz vymrštil jednu polovicu atómu smerom nahor a následný pulz z nej spravil časticu necitlivú na magnetické pole. Táto vetva sa pohybovala výhradne pod vplyvom zemskej gravitácie ako vo voľnom páde. Druhá polovica atómu zostala magneticky citlivá a pôsobila na ňu presne naladená sila, ktorá gravitáciu dokonale vyrušila.

Na vrchole trajektórie boli obe polovice jediného atómu od seba vzdialené približne 7,5 mikrometra, čo predstavuje zhruba sedemnásobok šírky samotnej atómovej vlny. Následne vedci proces obrátili a obe zložky opäť spojili v zariadení nazvanom kvantový Galileov interferometer.

Počas 633 meraní v trvaní viac než 5 hodín výskumníci predlžovali čas voľného pádu až na 2,4 milisekundy. Zaznamenali 13 kompletných oscilácií fázového posunu, pričom namerané hodnoty sedeli s teoretickým modelom kubického nárastu s presnosťou na 2,5 %.

Midjourney/Úprava redakcie

Problém Humpty Dumptyho a extrémna presnosť

Najkomplikovanejšou fázou celého pokusu bolo opätovné spojenie dvoch oddelených častí atómovej vlnovej funkcie. Keďže sa obe polovice pohybovali úplne odlišnými rýchlosťami, dosiahnuť ich dokonalý priestorový aj rýchlostný prekryv bolo mimoriadne náročné.

Fyzici tento fenomén označujú ako efekt Humpty Dumptyho podľa známej rozprávkovej postavičky, ktorú po páde zo steny nikto nedokázal poskladať späť. Dodatočnú komplikáciu spôsobovalo aj jemné zakrivenie magnetických polí v okolí čipu, ktoré deformovalo vlnové balíky.

Kontrast interferenčných prúžkov preto klesal z počiatočných 80 % pri krátkych časoch na 20 % pri najdlhších dráhach. Napriek tomu dáta jednoznačne potvrdili, že akumulácia fázy presne kopíruje gravitačné zrýchlenie.

Prepojenie relativity a kvantovej mechaniky bez konfliktu

Zásadný význam tohto úspechu spočíva v tom, že rovnaký fázový posun možno odvodiť dvoma úplne odlišnými spôsobmi. Prvý prístup vníma gravitáciu ako vonkajšiu silu pôsobiacu na kvantovú vlnu. Druhý prechádza do padajúcej vzťažnej sústavy, kde gravitácia podľa princípu ekvivalencie zdanlivo mizne.

Oba matematické postupy vedú k identickému výsledku. Experiment tak priamo dokázal, že na tejto úrovni presnosti neexistuje medzi kvantovou fyzikou a Einsteinovou gravitáciou žiadny rozpor a princíp ekvivalencie zostáva plne platný.

Na výskume sa podieľal aj nositeľ Nobelovej ceny Roger Penrose. Tím teraz plánuje experiment posunúť ešte ďalej a otestovať superpozíciu v rotujúcich sústavách alebo sledovať vzájomné gravitačné pôsobenie dvoch oddelených kvantových systémov. To by mohlo definitívne odpovedať na otázku, či samotná gravitácia podlieha kvantovým pravidlám.

Čítajte viac z kategórie: Novinky