Ученые предложили повторить эксперимент начала XX века для изучения квантовой гравитации
Физики выяснили, что усовершенствованные версии эксперимента Штерна-Герлаха, раскрывшего в 1922 году проявления квантовой механики в поведении атомов, можно использовать для изучения того, как работает сила притяжения на квантовом уровне. Первые итоги их опытов были раскрыты в статье в журнале Science Advances.
«Мы выяснили, как можно провести эксперимент Штерна-Герлаха для одиночных атомов, а также показали, как можно использовать подобную установку для проведения экспериментов с макроскопическими объектами. Подобные опыты откроют дорогу для проверок теорий и изучения процессов, находящихся на стыке квантовой механики и гравитации», — пишут исследователи.
Немецкие физики Отто Штерн и Вальтер Герлах провели в 1922 году одну из первых практических проверок квантовой механики, которая продемонстрировала истинность новой на тот момент теории. В рамках этого эксперимента ученые подготовили пучок из атомов серебра и пропустили его через мощное, но неоднородное магнитное поле, более сильное у краев магнитов, чем в пространстве между ними.
Классическая теория электромагнетизма предсказывает, что взаимодействия с магнитами заставят атомы серебра равномерно распределиться в виде размытой полосы. Квантовая механика, в свою очередь, указывает на то, что атомы будут сгруппированы в две узких и четких полосы в зависимости от того, каким квантовым спином они обладают. Опыт Штерна-Герлаха подтвердил истинность этого предсказания, что открыло дорогу для поисков других проявлений квантовой механики.
Группа физиков под руководством Рона Фольмана, профессора университета Бен-Гуриона в Бар-Шеве (Израиль), нашла новое применение для этой установки, которое позволит решить одну из самых старых и важных проблем квантовой механики — то, как она проявляет себя в ходе различных гравитационных взаимодействий.
Дело в том, что ученые до сих пор не имеют понятия о том, как связаны между собой гравитация и мир квантовых объектов. Эта проблема порождена тем, что общая теория относительности Эйнштейна, максимально точно описывающая гравитационные взаимодействия в макромире, не совместима с постулатами квантовой механики в том виде, в котором они были сформулированы еще во времена Нильса Бора и Джона Белла.
Физики достаточно давно предполагают, что подобные сведения можно получить в рамках аналога эксперимента Штерна-Герлаха, заставляя одиночные атомы вести себя как волны и наблюдая за их взаимодействиями. Несмотря на видимую простоту этой идеи, реализовать ее на практике оказалось невозможно из-за того, что для ее осуществления требуется недостижимо высокая точность управления магнитными полями.
Израильские исследователи и их коллеги из Европы выяснили, что эти ограничения и проблемы можно обойти, используя так называемые «атомные чипы» — специальные устройства, способные захватывать и управлять движением одиночных атомов.
Как показывают первые опыты профессора Фольмана и его коллег, созданные ими «атомные чипы» достигли нужной точности управления движением атомов для того, чтобы физики могли зафиксировать даже самые мельчайшие расхождения в траекториях их полета, связанные с квантовыми проявлениями гравитации. В частности, ученым удалось захватить при их помощи несколько одиночных атомов рубидия, направить их на разные траектории движения, а затем совместить и столкнуть их друг с другом.
В ближайшее время исследователи планируют повторить эксперименты Штерна-Герлаха, используя как одиночные атомы, так и более крупные и осязаемые макроскопические объекты, которые можно будет легко увидеть в микроскоп. Эти опыты, как надеются физики, помогут им проверить уже существующие теории квантовой гравитации и вплотную приблизиться к разрешению главной физической загадки XX века.
