Физики зафиксировали квантовую фазу падающих атомов
Физики из Великобритании, Германии, Израиля и США осуществили 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 другой 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. Об этом пишет Togliatti24.
Принцип эквивалентности, который является основой общей теории относительности, утверждает, что свободно падающий наблюдатель не может локально отличить влияние однородного гравитационного поля от движения в ускоренной системе отсчета. Этот принцип был проверен с высокой точностью для классических объектов. 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. 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.
