Einstein trece un nou test în lumea cuantică. Fizicienii au observat pentru prima dată efectul gravitației asupra unui obiect aflat în cădere cuantică

Una dintre cele mai mari probleme nerezolvate ale fizicii moderne este că cele două teorii care descriu extrem de bine Universul nu se potrivesc complet una cu cealaltă. Relativitatea generală a lui Albert Einstein explică gravitația și comportamentul corpurilor la scară mare, în timp ce mecanica cuantică descrie lumea atomilor și particulelor. Acum, o echipă internațională de cercetători, din care face parte și laureatul Nobel Sir Roger Penrose, a realizat un experiment care testează direct un punct în care cele două lumi se întâlnesc. Cercetarea, publicată în Science Advances și prezentată de University of Oxford, arată că un principiu fundamental al gravitației lui Einstein rămâne compatibil cu comportamentul materiei cuantice în condițiile testate.

Descoperirea nu reprezintă însă mult căutata teorie a gravitației cuantice și nici nu demonstrează că gravitația însăși este o forță cuantică. Este, mai degrabă, un test experimental foarte precis al modului în care o undă cuantică se comportă atunci când cade liber sub efectul gravitației. Problema reunirii mecanicii cuantice cu gravitația lui Einstein rămâne una dintre marile provocări ale fizicii.

Cercetătorii au făcut un atom să urmeze două „drumuri” simultan

Experimentul a fost realizat la Universitatea Ben-Gurion din Negev, folosind atomi de rubidiu răciți până foarte aproape de zero absolut. Cercetătorii au construit un dispozitiv special, numit Quantum Galileo Interferometer, sau Interferometrul Cuantic Galileo, care le-a permis să manipuleze unda cuantică asociată atomilor.

Prin impulsuri cu microunde, atomii au fost introduși într-o stare de superpoziție cuantică. Simplificat, fiecare atom putea fi descris ca urmând simultan două traiectorii. Una dintre componentele undei a fost menținută pe loc cu ajutorul unui câmp magnetic care contracara gravitația. Cealaltă a primit un impuls în sus și apoi a fost lăsată să cadă liber, aproximativ ca o minge aruncată în aer, doar că experimentul se desfășura la scară cuantică.

Vezi și:

Pensia anticipată pentru femei în 2026. Ce acte trebuie depuse și când sunt necesare certificatele de naștere ale copiilor

La final, cele două componente au fost reunite. Fiind unde cuantice, acestea au interferat, iar modelul de interferență le-a permis fizicienilor să măsoare diferența extrem de mică de fază acumulată între componenta aflată în cădere liberă și cea menținută în repaus.

Aici se află adevărata noutate a experimentului. Gravitația a mai fost măsurată anterior folosind particule cuantice și interferometre atomice. Cercetătorii au determinat, de exemplu, accelerația gravitațională cu ajutorul atomilor. De această dată, echipa a măsurat direct faza cuantică asociată căderii libere, exact mărimea pentru care teoria face o predicție legată de principiul echivalenței al lui Einstein.

Principiul lui Einstein funcționează și în experimentul cuantic

Principiul echivalenței se află la baza relativității generale. Una dintre formulările sale spune, în esență, că efectele gravitației și cele ale accelerației sunt local imposibil de diferențiat. Celebrul exemplu este cel al unui om aflat într-un lift în cădere liberă: pentru el, gravitația pare să dispară, iar obiectele din jur plutesc ca și cum ar fi lipsite de greutate.

Vezi și:

Cercetătorii au teleportat pentru prima dată o imagine prin 100 de canale cuantice simultan

Un nou experiment ar putea pune la încercare teoria gravitației a lui Einstein: cercetătorii vor să vadă cum „cade” o particulă exotică

Principiul a fost verificat cu o precizie extraordinară pentru obiecte și materie clasică. Lumea cuantică aduce însă o complicație: o particulă poate fi descrisă printr-o undă și poate exista într-o superpoziție de stări. Tocmai de aceea, fizicienii au vrut să vadă ce se întâmplă cu faza unei asemenea unde atunci când una dintre componente se află în cădere liberă.

Rezultatul măsurat cu Quantum Galileo Interferometer este compatibil cu predicția obținută prin aplicarea principiului echivalenței la unda cuantică. Cu alte cuvinte, în regimul testat de cercetători, nu apare o contradicție între comportamentul cuantic al atomilor și unul dintre principiile fundamentale ale gravitației lui Einstein.

Este relevant tocmai pentru că relativitatea generală și mecanica cuantică au rezistat aproape tuturor testelor experimentale în propriile domenii, însă fizicienii nu au încă un cadru complet care să le descrie împreună. În special în condiții extreme, precum interiorul găurilor negre sau primele momente ale Universului, cele două teorii trebuie, într-un fel, reconciliate.

Ce nu a demonstrat experimentul și de ce este important Roger Penrose

Autorii sunt atenți să nu ducă rezultatul mai departe decât permit datele. Experimentul nu demonstrează că gravitația este cuantică, nu detectează un ipotetic „graviton” și nu reprezintă o teorie unificată a gravitației și mecanicii cuantice. El arată doar că, în acest experiment, predicția cuantică pentru căderea liberă este compatibilă cu principiul echivalenței.

Această distincție este importantă pentru că există mai multe idei concurente despre cum ar trebui rezolvat conflictul dintre cele două teorii. Unele presupun că gravitația trebuie cuantificată. Alte modele explorează posibilitatea ca spațiu-timpul să rămână fundamental clasic, idee analizată și în teorii alternative privind relația dintre gravitație și mecanica cuantică.

Prezența lui Roger Penrose printre autorii lucrării este relevantă și dintr-un alt motiv. Fizicianul britanic a susținut de mult timp că mecanica cuantică standard ar putea înceta să funcționeze în cazul unor obiecte suficient de masive menținute în superpoziție pentru perioade suficient de lungi. Noul experiment nu ajunge nici pe departe la masele și timpii necesari pentru a testa ipoteza lui Penrose, așa că rezultatul nu o infirmă.

Cercetătorii vor însă să împingă tehnica spre obiecte mai mari. Echipa de la Ben-Gurion lucrează deja la experimente care ar putea utiliza nanodiamante, mult mai masive decât atomii individuali. Dacă superpozițiile cuantice pot fi menținute pentru obiecte tot mai grele și apoi puse sub influența gravitației, fizicienii vor putea explora o zonă în care diferența dintre lumea cuantică și cea clasică devine mult mai dificil de ignorat.

Nu este încă momentul în care spațiu-timpul și mecanica cuantică au fost reunite într-o singură teorie. Experimentul oferă însă ceva ce fizica fundamentală are mare nevoie: o metodă nouă prin care ideile despre gravitație și lumea cuantică pot fi testate în laborator, nu doar discutate matematic.

Pensia anticipată pentru femei în 2026. Ce acte trebuie depuse și când sunt necesare certificatele de naștere ale copiilor