Lần đầu tiên quan sát được lực hấp dẫn của Einstein trong thế giới lượng tử

Phát hiện này cho thấy một nguyên lý trung tâm của lý thuyết hấp dẫn của Einstein vẫn phù hợp với hành vi lượng tử trong các điều kiện được thử nghiệm. Nghiên cứu do Đại học Ben-Gurion của Negev, Đại học Ulm và Đại học Oxford dẫn đầu.

Hiệu ứng hấp dẫn trong một vật thể lượng tử rơi tự do lần đầu tiên được quan sát.

Các nhà nghiên cứu đã đo được một sự thay đổi cụ thể trong các thuộc tính lượng tử của các nguyên tử khi chúng chuyển động dưới tác động của trọng lực.

Hiệu ứng này phù hợp với dự đoán khi Nguyên lý tương đương của Einstein, một trong những nền tảng của Thuyết tương đối được mở rộng đến một đối tượng lượng tử.

Nguyên lý tương đương cho rằng, trọng lực sẽ biến mất hoàn toàn tại một vị trí cụ thể đối với người quan sát đang rơi tự do. Ví dụ, một người rơi tự do trong thang máy sẽ trải nghiệm trạng thái không trọng lực.

Nguyên lý này đã được xác nhận với độ chính xác đáng kinh ngạc bằng cách sử dụng vật chất thông thường, nhưng việc kiểm chứng trực tiếp với các vật thể lượng tử khó khăn hơn nhiều vì các vật thể lượng tử có thể hoạt động như sóng và có thể đi theo nhiều quỹ đạo cùng một lúc.

Để thực hiện thí nghiệm này, nhóm nghiên cứu đã chế tạo một thiết bị gọi là Giao thoa kế Galileo lượng tử. Thiết bị này cho phép các nhà nghiên cứu tách sóng lượng tử liên quan đến một nguyên tử thành hai đường dẫn riêng biệt.

Thí nghiệm QGI đo sự tích lũy pha của một hạt rơi tự do.

Một phần có thể được giữ cố định trong khi phần kia được phép rơi tự do. Sau đó, hai phần được đưa trở lại gần nhau để các nhà nghiên cứu có thể xác định trọng lực đã ảnh hưởng đến sóng rơi như thế nào.

Thí nghiệm được thực hiện tại Đại học Ben-Gurion bằng cách sử dụng các đám mây nguyên tử rubidium được làm lạnh đến nhiệt độ ngay trên độ không tuyệt đối. Các nguyên tử được điều khiển gần bề mặt của một chip nguyên tử được thiết kế đặc biệt.

Nhóm nghiên cứu sử dụng các xung vi sóng để đưa các nguyên tử siêu lạnh vào trạng thái chồng chất lượng tử. Điều này cho phép mỗi nguyên tử đồng thời di chuyển theo hai con đường khác nhau.

Các dây dẫn điện siêu nhỏ được tích hợp vào con chip sau đó tạo ra các từ trường được điều khiển. Một phần của sóng nguyên tử tương tác với từ trường, cho phép các nhà nghiên cứu tạo ra một lực hướng lên cân bằng chính xác với lực hút trọng trường hướng xuống. Kết quả là, phần sóng đó vẫn đứng yên so với phòng thí nghiệm và Trái đất.

Phần còn lại được đẩy lên trên bằng một xung từ trường được điều khiển chính xác. Sau đó, nó được chuyển sang trạng thái hầu như không bị ảnh hưởng bởi từ trường, cho phép nó di chuyển tự do dưới tác động của trọng lực.

Sau khi quá trình rơi hoàn tất, một xung từ trường khác đã đưa hai phần của sóng nguyên tử trở lại gần nhau. Các sóng được hợp nhất đã giao thoa với nhau, cung cấp cho các nhà nghiên cứu một cách để đo lường sự khác biệt cực kỳ nhỏ về pha lượng tử đã tích lũy trong khi một phần đang rơi và phần kia vẫn đứng yên.

Pha lượng tử mà các nhà nghiên cứu đo được trùng khớp với pha dự đoán khi áp dụng nguyên lý của Einstein cho loại sóng lượng tử này.

Các nhà nghiên cứu cho biết đây là phép đo trực tiếp đầu tiên về pha lượng tử được dự đoán sẽ được tạo ra bởi một vật thể rơi tự do.

Trọng lực không phải là lực? Giải mã thuyết tương đối của Einstein!