I en atominterferometer, atomens vågfunktion är uppdelad i vänster och höger arm. Vänster och höger armar kombineras sedan igen, producerar ett interferensmönster. Kredit:S. Kelley/NIST
När det gäller ett äktenskap med kvantteori, tyngdkraften är det enda hållet bland de fyra grundläggande krafterna i naturen. De tre andra - den elektromagnetiska kraften, den svaga kraften, som är ansvarig för radioaktivt sönderfall, och den starka kraften, som binder neutroner och protoner samman i atomkärnan - har alla gått samman med kvantteori för att framgångsrikt beskriva universum på de minsta skalorna, där kvantmekanikens lagar måste spela en ledande roll.
Även om Einsteins allmänna relativitetsteori, som beskriver gravitationen som en krökning av rymdtid, förklarar en mängd gravitationella fenomen, det misslyckas inom de minsta volymerna - mitten av ett svart hål eller universum vid dess explosiva födelse, när den var mindre än en atomdiameter i storlek. Det är där kvantmekaniken borde dominera.
Men under de senaste åtta decennierna har expert efter expert, inklusive Einstein, har inte kunnat förena kvantteori med gravitation. Så, är tyngdkraften verkligen en kvantkraft?
Forskare vid National Institute of Standards and Technology (NIST) och deras kollegor har nu föreslagit ett experiment som kan hjälpa till att lösa frågan.
Experimentet drar fördel av två av de mest konstiga egenskaperna hos kvantteorin. Den ena är superpositionsprincipen, som hävdar att en ostörd atompartikel kan beskrivas som en våg, med viss sannolikhet att vara på två ställen samtidigt. Till exempel, en ostörd atom som färdas genom ett område med två slitsar, passerar inte genom det ena eller det andra av slitsarna utan båda.
Och eftersom atomen beskrivs av en våg, delen som passerar genom en slits kommer att störa den del som passerar genom den andra, producerar ett välkänt mönster av ljusa och mörka fransar. De ljusa utkanterna motsvarar områden där kullarna och dalarna i de två vågorna ligger i linje så att de lägger ihop, skapa konstruktiv störning och de mörka områdena motsvarar regioner där vågornas kullar och dalar avbryter varje ut, skapa destruktiv störning.
När experimentet börjar, atomens vågfunktion påverkas inte av pendeln. Det betyder att de två armarna i den enda atomen stör varandra fullständigt. Kredit:S. Kelley/NIST
Den andra konstiga kvantegenskapen kallas förtrassling, ett fenomen där två partiklar kan vara så starkt korrelerade att de beter sig som en enda enhet. Att mäta en egenskap hos en av partiklarna tvingar automatiskt den andra att ha en komplementär egenskap, även om de två partiklarna ligger galaxer isär.
I en kvantteori om gravitation, gravitationsattraktionen mellan två massiva föremål skulle kommuniceras av en hypotetisk subatomär partikel, gravitationen, på samma sätt som den elektromagnetiska interaktionen mellan två laddade partiklar kommuniceras av en foton (den grundläggande ljuspartikeln). Så, om en graviton verkligen existerar, den ska kunna ansluta, eller trassla in, egenskaperna hos två massiva kroppar, precis som en foton kan trassla ihop egenskaperna hos två laddade partiklar
Det föreslagna experimentet av Jake Taylor från NIST:s Joint Quantum Institute vid University of Maryland, tillsammans med Daniel Carney, nu vid Lawrence Berkeley National Laboratory, och Holger Müller vid University of California, Berkeley, ger ett smart sätt att testa om två massiva kroppar verkligen kan trassla ihop sig av gravitationen. De beskrev sitt arbete i en artikel som publicerades online i Physical Review X Quantum den 18 augusti, 2021.
Experimentet skulle använda ett kallt moln av atomer, instängd i en atomisk interferometer. Interferometern har två armar - en vänster arm och en höger. Enligt superpositionsprincipen, om varje atom i molnet är ren, ostört kvanttillstånd, den kan beskrivas som en våg som upptar båda armarna samtidigt. När de två delarna av vågen, en från varje arm, kombinera om, de kommer att producera ett störningsmönster som avslöjar eventuella förändringar i deras vägar på grund av krafter som gravitation.
En liten, initialt införs stationär massa som hänger som en pendel strax utanför interferometern. Den suspenderade massan och atomen lockas gravitationellt. Om den gravitationella bogserbåten också orsakar trassel, hur skulle det se ut?
Om gravitationsattraktion verkligen orsakar en intrassling mellan pendeln och atomen, pendeln kommer delvis att mäta atomens position, koncentrera den till en eller annan arm. Kredit:S. Kelley/NIST
Den suspenderade massan kommer att korreleras med en specifik plats för atomen - antingen interferometerns högra arm eller vänster. Som ett resultat, massan börjar svänga till vänster eller höger. Om atomen är placerad till vänster, pendeln börjar svänga till vänster; om atomen ligger till höger, pendeln börjar svänga åt höger. Tyngdkraften har trasslat in atomens position i interferometern med den riktning i vilken pendeln börjar svänga.
Lägesinviklingen innebär att pendeln effektivt har mätt atomens läge, att identifiera den till en viss plats inom interferometern. Eftersom atomen inte längre är i en superposition av att vara i båda armarna samtidigt, störningsmönstret försvinner eller minskar.
En halv period senare, när den svängande massan återgår till sin utgångspunkt, den tappar allt "minne" av den gravitationella intrassling den hade skapat. Det beror på att oavsett vilken väg pendeln tog - initialt svängande till höger, som väljer ut en plats för atomen i den högra interferometerarmen, eller initialt svängande till vänster, som väljer ut en plats för atomen i vänster arm - den återgår till samma utgångsläge, ungefär som ett barn på en gunga.
Och när den återgår till utgångsläget, det är lika troligt att pendeln kommer att välja en plats för atomen i vänster eller höger arm. Vid det tillfället, trassel mellan massan och atomen har raderats och atominterferensmönstret återkommer.
En halv period efter det, när pendeln svänger åt ena eller andra sidan, trassel återupprättas och störningsmönstret minskar igen. När pendeln svänger fram och tillbaka, upprepas mönstret - störningar, minskad störning, interferens. Denna kollaps och väckelse av störningar, säger forskarna, skulle vara en "rökpistol" för intrassling.
"Det är svårt för något annat fenomen än gravitationsinvikling att producera en sådan cykel, sa Carney.
Efter varje halv svängningsperiod, pendeln kommer att återvända dit den började, förlorar allt minne av den gravitationella intrassling som den hade skapat och återställer full störning. Kredit:S. Kelley/NIST
Även om det perfekta experimentet kan vara ett decennium eller mer från att det byggdes, en preliminär version kan vara klar om bara några år. En mängd olika genvägar kan utnyttjas för att göra saker lättare att observera, Sa Taylor. Den största genvägen är att anamma antagandet, liknande Einsteins allmänna relativitetsteori, att det inte spelar någon roll när du startar experimentet - du bör alltid få samma resultat.
Taylor noterade att icke-gravitationskällor till kvantinvikling måste övervägas, vilket kräver noggrann design och mätningar för att utesluta.
