Principiul cheie Einstein supraviețuiește testului cuantic

Particulele cu proprietăți cuantice de îndoire a minții încă urmează o regulă gravitațională standard, cel puțin din câte pot spune oamenii de știință.

Principiul echivalenței – unul dintre principiile centrale ale teoriei gravitației lui Einstein – a supraviețuit unui test cuantic, raportează oamenii de știință online pe 7 aprilie pe arXiv.org.

În teoria gravitației a lui Einstein – teoria generală a relativității – gravitația și accelerația sunt două fețe ale aceleiași monede. Conform principiului echivalenței, masa gravitațională a unui obiect, care determină forța de tracțiune a gravitației, este aceeași cu masa sa inerțială, care determină cât de mult accelerează un obiect atunci când este dat o împingere (SN: 17.10.15, str. 16). Drept urmare, două obiecte aruncate pe suprafața Pământului ar trebui să accelereze în același ritm (neglijând rezistența aerului), chiar dacă au mase diferite sau sunt fabricate din materiale diferite.

Unul dintre primele teste raportate ale principiului echivalenței – cu mult înainte de a fi înțeles în cadrul relativității generale – a fost experimentul apocrif al lui Galileo, în care se spune că el a aruncat greutăți din Turnul înclinat din Pisa. De atunci, oamenii de știință au adaptat testul la scari mai mici, schimbând greutățile cu atomi. În noul studiu, fizicienii au făcut un pas mai departe, punând atomii într-o suprapunere cuantică, un fel de limb în care un atom nu are o energie definită, ci ocupă o combinație de două niveluri de energie.

Manipulând atomii de rubidiu cu lasere, oamenii de știință conduși de cercetători din Italia au dat atomilor o lovitură în sus și au observat cum gravitația i-a tras în jos. Pentru a compara accelerația atomilor normali cu cei dintr-o suprapunere, oamenii de știință au împărțit atomii în doi nori, au pus atomii dintr-un nor într-o suprapunere și au măsurat modul în care norii au interacționat. Acești nori de atomi se comportă ca valurile, interferând în mod similar cu undele de apă care fuzionează. Ondulările rezultate depind de accelerația gravitațională resimțită de atomi.

Oamenii de știință au comparat apoi rezultatul acestui test cu unul în care ambii nori se aflau într-o stare de energie normală. Gravitația, au concluzionat cercetătorii, a atras atomii într-o suprapunere în aceeași rată ca ceilalți – cel puțin la nivelul de sensibilitate pe care oamenii de știință au fost capabili să-l sonda, în 5 părți la 100 de milioane.

Testele cuantice ale principiului echivalenței explorează tărâmul tulbure unde mecanica cuantică și relativitatea generală se întâlnesc. Cele două teorii nu se joacă bine una cu cealaltă. Oamenii de știință se luptă în prezent să unifice perechea într-o singură teorie a gravitației cuantice, iar unele teorii candidate prevăd că principiul echivalenței se defectează la nivel cuantic.

Testul „este un nou mod de a confrunta gravitația cu fizica cuantică”, spune fizicianul teoretician Robert Mann de la Universitatea Waterloo din Canada. „Orice mod prin care putem face asta ne spune ceva despre cum să punem împreună gravitația cu fizica cuantică”, chiar dacă testul nu găsește nicio încălcare, spune el.

Guglielmo Tino, coautor al studiului și fizician la Universitatea din Florența, a refuzat să comenteze lucrările din cauza politicilor revistei în care lucrarea a fost acceptată.

Oamenii de știință au testat anterior principiul echivalenței în atomi, comparând, de exemplu, efectele gravitației asupra diferitelor tipuri de atomi. Deoarece astfel de teste se ocupă de particule minuscule, ele explorează, de asemenea, teritoriul nebulos dintre fizica cuantică și relativitatea generală. Dar noul test este primul care studiază suprapunerea, una dintre cele mai ciudate proprietăți ale mecanicii cuantice.

„Este o demonstrație frumoasă a versatilității acestor teste cuantice”, spune fizicianul Ernst Rasel de la Leibniz Universität Hannover din Germania.