Физики измерили квантовую фазу падающих атомов
Физики из Великобритании, Германии, Израиля и США провели прямое измерение квантовой фазы волнового пакета свободно падающих атомов относительно неподвижного объекта. Для этого они разделили волновую функцию атомов рубидия-87 на два пакета: один из них падал, а второй оставался на месте благодаря магнитному полю. Зафиксированная разница фаз этих пакетов зависела от времени свободного падения в кубической зависимости и соответствовала предсказаниям, основанным на принципе эквивалентности. Результаты исследования опубликованы в журнале Science Advances. Эту информацию сообщает издание N + 1.
Принцип эквивалентности является основой общей теории относительности. Он утверждает, что свободно падающий наблюдатель не может локально отличить влияние однородного гравитационного поля от движения в ускоренной системе отсчета. Для классических объектов этот принцип был проверен с высокой точностью. В квантовой механике переход между свободно падающей и неподвижной системами отсчета приводит к дополнительному изменению фазы волновой функции.
В 1920-х годах было показано, что волновая функция свободно падающей частицы в лабораторной системе отсчета должна получать дополнительную фазу, зависящую от времени в кубической форме. К тому же, можно прийти к тому же результату, используя преобразование Галилея для перехода от свободно падающей системы к неподвижной относительно Земли. Совпадение этих двух подходов позволяет объединить квантовую механику с принципом эквивалентности, однако непосредственно измерить эту фазу до сих пор не удавалось.
Группа ученых под руководством Рона Фолмана из Университета Бен-Гуриона провела эксперимент по измерению квантовой фазы свободно падающих атомов с использованием интерферометра Штерна — Герлаха на атомном чипе. Ученые создали бозе-эйнштейновский конденсат из примерно 20 тысяч атомов рубидия-87 и охладили его до эффективной температуры 3,3 нанокельвина. Затем атомы были переведены в суперпозицию двух состояний, которые по-разному реагировали на магнитное поле.
Один из волновых пакетов был заставлен двигаться вверх с помощью магнитного импульса, после чего его оставили свободно падать под действием гравитации, в то время как второй пакет удерживался на постоянной высоте магнитным полем. Расстояние между пакетами достигало примерно 7,5 микрометра. После этого пакеты снова совмещались и интерферировали, а разность их фаз определялась по распределению атомов между выходами интерферометра. Фаза зависела от времени свободного падения в кубической зависимости, как и предсказывала теория, а экспериментальные данные согласовывались с численными расчетами с точностью около 2,5 процента.
Таким образом, физики впервые зарегистрировали квантовую фазу свободно падающего объекта относительно неподвижного в земной системе отсчета. Полученные результаты соответствуют фазе, возникающей при применении принципа эквивалентности к квантовой волновой функции. Авторы исследования отмечают, что эксперимент не исключает все возможные модели, нарушающие принцип эквивалентности, если они предсказывают ту же фазу. В будущем интерферометр может быть использован для более сложных проверок принципа эквивалентности с квантовыми часами.
Атомная интерферометрия является важным инструментом для ученых, ранее она позволила выявить гравитационный эффект Ааронова — Бома, при котором гравитационный потенциал изменяет фазу волновой функции даже в условиях, когда сила, действующая на атом, практически отсутствует.
