Физики впервые зафиксировали квантовый сдвиг, который возникает у объекта при свободном падении в гравитационном поле Земли. Этот эффект следует из теории относительности Эйнштейна и был предсказан почти сто лет назад. Результаты исследования опубликованы в журнале Science Advances.
Для опыта ученые использовали сверххолодные атомы рубидия, переведенные в состояние квантовой суперпозиции. Один и тот же атом одновременно разделяли на две траектории: по одной он свободно падал, а по другой оставался неподвижным. После объединения состояний исследователи обнаружили едва заметную разницу фаз.
Эксперимент подтвердил принцип эквивалентности Эйнштейна, согласно которому локально невозможно отличить ускорение от действия гравитации. Для обычных массивных тел этот принцип уже проверяли с высокой точностью. Теперь его действие удалось подтвердить и для квантовых объектов.
Группа под руководством Рона Фольмана из Университета Бен-Гуриона в Негеве охладила около 20 тысяч атомов рубидия до состояния конденсата Бозе — Эйнштейна. С помощью радио- и микроволновых импульсов атомы разделили на два магнитных состояния. Одна часть двигалась под действием земного притяжения, а другую удерживали магнитным полем, компенсировавшим гравитацию.
Максимальное расстояние между двумя частями состояния одного атома достигало примерно 7,5 микрометра. В ходе 633 запусков, продолжавшихся 5,3 часа, специалисты зарегистрировали 13 полных колебаний фазы. Ее изменение соответствовало теоретическому расчету с точностью около 2,5%.
Ученые отметили, что полученные данные не выявили противоречий между квантовой физикой и гравитацией на достигнутом уровне точности. В дальнейшем исследователи намерены проверить принцип эквивалентности в более сложных условиях, включая вращающиеся системы. Также рассматривается возможность проведения подобных опытов с более тяжелыми объектами, например нанодаймандами.
