Dvě fyziky, které se zatím odmítají sestěhovat
Moderní fyzika stojí na dvou mimořádně úspěšných teoriích. Obecná relativita vysvětluje gravitaci jako důsledek zakřivení časoprostoru a používáme ji při popisu planet, hvězd, černých děr i vývoje vesmíru. Kvantová mechanika se naopak osvědčila ve světě atomů a elementárních částic. Problém nastává ve chvíli, kdy mají obě promluvit o stejné věci. Přes desítky let práce nemáme všeobecně přijímanou kvantovou teorii gravitace, která by oba popisy spojila.
Jednou z cest, jak tuto hranici zkoumat, je vzít základní tvrzení Einsteinovy gravitace a vystavit je co nejčistšímu kvantovému testu. Přesně o to se pokusil mezinárodní tým pracující s atomovou interferometrií. Namísto padajících koulí, závaží nebo družic použili fyzici atomy rubidia ochlazené téměř k absolutní nule, tedy prostředí, v němž se jejich kvantové vlastnosti dají mimořádně přesně kontrolovat.
MOHLO BY SE VÁM TAKÉ LÍBIT
Atom nepadal jednou cestou
V experimentu pracovali vědci s tisíci atomů rubidia a připravili situaci, která nemá běžný makroskopický protějšek. Kvantový stav atomu mohl sledovat dvě rozdílné historie. Jedna část vlnové funkce byla pomocí magnetického pole držena, zatímco druhá procházela volným pádem v gravitačním poli Země.
Po opětovném spojení obou cest se jejich rozdílná zkušenost s gravitací projevila změnou fáze, kterou lze odečíst z interferenčního obrazce. Nejde tedy o pozorování miniaturní kuličky, která letí dolů a jejíž dráhu změříme stopkami. Měří se rozdíl mezi dvěma koherentními kvantovými stavy téhož systému. Právě díky tomu se gravitace dostává přímo do experimentu, v němž se hmota chová podle pravidel kvantové fyziky.
Einsteinův princip prošel další zkouškou
V centru experimentu stojí princip ekvivalence, jedna ze základních myšlenek obecné relativity. Ve své klasické podobě říká, že lokálně nelze rozlišit účinky homogenního gravitačního pole od účinků odpovídajícího zrychlení. S touto myšlenkou souvisí také univerzálnost volného pádu, tedy skutečnost, že objekty v témže gravitačním poli reagují na gravitaci stejným způsobem, pokud zanedbáme další síly.
Naměřený kvantový fázový posun odpovídal předpovědi vycházející z Einsteinova popisu gravitace. Je důležité nepřehánět význam výsledku: experiment neobjevil kvantovou gravitaci a nesjednotil obecnou relativitu s kvantovou mechanikou. Ukázal však, že klíčový princip gravitační teorie zůstává konzistentní také v situaci, kdy je testovaným objektem koherentní kvantový stav.
Nejcennější by jednou byla chyba
Takové experimenty mohou působit zvláštně právě proto, že jejich úspěchem je potvrzení teorie staré více než století. Ve skutečnosti je jejich hlavní hodnotou stále rostoucí přesnost. Pokud se obecná relativita a kvantová fyzika někde začnou rozcházet, rozdíl může být nepatrný a objeví se až v experimentu, který dokáže eliminovat téměř všechny běžnější příčiny odchylky.
Atomové interferometry se proto stávají jedním z nástrojů pro hledání nové fyziky. Mohou testovat princip ekvivalence, hledat velmi slabé neznámé interakce nebo zkoumat, zda gravitace reaguje na kvantové stavy přesně způsobem, který očekáváme. Tentokrát Einstein přežil. Pro fyziky však bude jednou mnohem zajímavější okamžik, kdy dostatečně přesný experiment ukáže něco, co jeho rovnice vysvětlit nedokážou.
MOHLO BY SE VÁM TAKÉ LÍBIT
Zdroje: Kód Enigma [1], Science Advances – quantum test of Einstein gravity, DOI 10.1126/sciadv.aec8045 [2], University of Oxford – Scientists observe Einstein’s gravity in the quantum world [3]. img ai generated
