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.
Dostaň Fontech do svojich Google odporúčaní
Pridať ako preferovaný zdroj Fontech, odkaz sa otvorí v novom okneMedzinárodný 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 %.

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
Ďakujeme, že čítaš Fontech. V prípade, že máš postreh alebo si našiel v článku chybu, napíš nám na redakcia@fontech.sk.
Teraz čítajú

Prelom vo fúznej energii. Vedci našli skratku, ako sa dostať k svätému grálu energetiky

Z Antarktídy prichádzajú záhadné signály, ktoré popierajú fyziku. Vedci ich nevedia vysvetliť

Každý ich má doma, no následky sú desivé. Brusel chystá najväčší zákaz v histórii ľudstva

Vyše 100 rokov tam ležal bez povšimnutia. Vedci odhalili prvého európskeho dinosaura svojho druhu

Slovák ukázal, z čoho budeme stavať domy na Marse. Materiál už leží priamo pod nohami
NAJČÍTANEJŠIE ZO STARTITUP

Najbohatší človek sveta sa pochválil Slovenskom. Spúšťa tu kontroverznú funkciu
PREMIUMSlovensko mohlo ušetriť 200 miliónov eur na energopomoci. Na plyne zarába Křetínský, tvrdí odborník

Slováci si môžu natrvalo zvýšiť dôchodok o 6 % ročne. Stačí odložiť jedno rozhodnutie

Chladné privítanie v Bruseli: Zelenskyj v objatí s lídrami EÚ, Fica obišiel

Štát minie o 9,5 miliardy eur viac. Výdavky na tovary stúpnu o 27,3 %, NKÚ varuje pred dierami v rozpočte
- 24 hod
- 48 hod
- 7 dní
-
- Slováci si na steny montujú energetické pasce. Za toto hrozí pokuta až do výšky 20 000 eur
- Slovenská komédia roka mieri online. Videlo ju 186-tisíc divákov, bude na jedinej službe
- Večné chemikálie sú v produkte, ktorý má doma väčšina Slovákov. EÚ chystá veľký zásah
- Na Slovensku práve spustili novú službu. Zadarmo ponúka viac ako tisíc filmov a seriálov
- Zapíš si tento dátum. Najdrahší film Christophera Nolana mieri na streamovacie služby
-
- Slováci si na steny montujú energetické pasce. Za toto hrozí pokuta až do výšky 20 000 eur
- Slovenská komédia roka mieri online. Videlo ju 186-tisíc divákov, bude na jedinej službe
- Večné chemikálie sú v produkte, ktorý má doma väčšina Slovákov. EÚ chystá veľký zásah
- Na Slovensku práve spustili novú službu. Zadarmo ponúka viac ako tisíc filmov a seriálov
- Zapíš si tento dátum. Najdrahší film Christophera Nolana mieri na streamovacie služby
-
- Slováci si na steny montujú energetické pasce. Za toto hrozí pokuta až do výšky 20 000 eur
- Skylink na Slovensku končí. Nahradí ho známa značka, diváci dostanú nové TV stanice
- Prekvapivá krajina má obrovský záujem o slovenské zbrane. Kúpia pokročilé systémy za milióny eur
- Automobilky majú veľkú dilemu: Kia povedala pravdu o EV, ktorú Brusel nechce počuť
- Predbehla Netflix a rastie ďalej. Slovenská streamovacia služba prilákala 800-tisíc divákov
Volkswagen prepustí až 100-tisíc ľudí. Z Nemecka napriek tomu zazneli prekvapivé slová
Európa čakala veľký solárny prepad. Zatmenie ukázalo, prečo veľké číslo pre Slovensko neplatilo
Výrobcom počítačov a mobilov končí obľúbený trik. EÚ prísne skoncuje s falošnou ekológiou
Má stáť zelená energia 120 eur za MWh? ÚRSO označil zelenú energiu za drahý omyl, pravda je iná
Európa chcela odstrihnúť Putina, deje sa však opak. Dovoz ruského LNG prudko vzrástol
USA chystajú vesmírny štít za 160 miliárd eur. Prvý ostrý zásah príde v roku 2029
Mochovce dosiahli kľúčový míľnik. Štvrtý blok už rozbehol jadrovú reakciu
NAJČÍTANEJŠIE ZO STARTITUP

Najbohatší človek sveta sa pochválil Slovenskom. Spúšťa tu kontroverznú funkciu
PREMIUMSlovensko mohlo ušetriť 200 miliónov eur na energopomoci. Na plyne zarába Křetínský, tvrdí odborník

Slováci si môžu natrvalo zvýšiť dôchodok o 6 % ročne. Stačí odložiť jedno rozhodnutie

Chladné privítanie v Bruseli: Zelenskyj v objatí s lídrami EÚ, Fica obišiel

