3 сентября 2026 г. (TPS-IL) — Более века теория общей относительности Альберта Эйнштейна и квантовая механика успешно проходили бесчисленные испытания, но физикам никак не удавалось примирить их. Теперь ученые в Израиле и за рубежом сделали новый шаг к пониманию их взаимодействия, напрямую измерив, как гравитация изменяет квантовый объект при его падении.
Полученные результаты в конечном итоге могут способствовать созданию более чувствительных квантовых датчиков для измерения гравитации и ускорения, с потенциальным применением в геодезии, геологическом картировании и навигации без использования GPS.
Достижение заключается не просто в том, что ученые измерили гравитацию с помощью квантовых атомов; подобные эксперименты проводились и ранее. Вместо этого исследователи напрямую измерили специфическое изменение «фазы» квантовой волны при свободном падении атома под действием гравитации — эффект, предсказанный принципом эквивалентности Эйнштейна.
Университет имени Бен-Гуриона в Негеве в Беэр-Шеве 8 июня 2026 года. Фото: Йоав Дудкевич/TPS-IL
Эксперимент проводился под руководством Университета имени Бен-Гуриона в Негеве, Ульмского университета и Оксфордского университета. Среди участвовавших исследователей был нобелевский лауреат сэр Роджер Пенроуз. Результаты были опубликованы в рецензируемом журнале Science Advances.
«Квантовая механика говорит нам, что частица — это также волна, — рассказал профессор Рон Фолман из Института нанонауки и технологий имени Ильзе Кац Университета имени Бен-Гуриона в Негеве агентству The Press Service of Israel. — У волн, будь то морские волны, звуковые волны, световые волны или квантовые волны, есть особенность, называемая фазой».
«Хотя ускорение свободно падающих объектов измеряют со времен Галилея, никто никогда не измерял квантовые особенности свободно падающего квантового объекта, и, в частности, как его фаза изменяется из-за свободного падения», — сказал он.
Один падающий атом, два пути
Принцип эквивалентности, краеугольный камень общей теории относительности, гласит, что эффекты гравитации могут локально исчезнуть для наблюдателя в свободном падении — человек, падающий в лифте, например, будет испытывать невесомость. Принцип был протестирован с обычной материей с исключительной точностью. Но квантовые объекты могут вести себя как волны и фактически следовать двум путям одновременно.
«В нашем эксперименте мы использовали это правило, чтобы поместить атом в два места и на две траектории одновременно. По одной траектории он свободно падал, а по другой — был статичен относительно Земли, причем последняя использовалась в качестве эталона», — пояснил Фолман.
Исследователи охладили облака атомов рубидия до температур, лишь немного превышающих абсолютный ноль, и манипулировали ими вблизи специально разработанного атомарного чипа. Магнитные поля удерживали одну часть атомной волны неподвижной, в то время как другая падала свободно. Затем две части были снова сведены вместе, и их волны интерферировали, что позволило исследователям измерить крошечную разницу в квантовой фазе, накопившуюся между падающей и неподвижной частями. Измеренный сдвиг фазы соответствовал значению, предсказанному принципом эквивалентности Эйнштейна для квантового объекта.
Фолман отметил, что эксперимент имеет большое значение, поскольку ученым до сих пор не хватает теории, объясняющей, как гравитация и квантовая механика работают вместе. «Обе теории доказали свою работоспособность, но ученые так и не смогли сформулировать теорию, описывающую, как обе работают вместе в одной вселенной», — сказал он TPS-IL.
Эксперимент не доказывает, что сама гравитация является квантовой, и не устанавливает единую теорию гравитации и квантовой механики. Вместо этого он демонстрирует, что при испытанных условиях принцип эквивалентности Эйнштейна совместим с квантовой суперпозицией. Он также не проверяет предположение Пенроуза о том, что квантовая механика может нарушаться для достаточно массивных объектов, находящихся в квантовых суперпозициях достаточно долго.
К новой физике
Однако исследователи надеются использовать эту методику с гораздо более массивными объектами. «Наш эксперимент открыл дверь для будущих более сложных экспериментов по изучению интерфейса между двумя теориями», — сказал Фолман TPS.
Команда уже разрабатывает эксперимент с использованием наноалмаза вместо атома. Достаточно массивный объект, помещенный в квантовую суперпозицию, позволит исследователям изучить, ведут ли себя квантовая механика и гравитация по-разному на масштабе, где их взаимодействие становится более выраженным. «Как только он будет помещен в суперпозицию, он создаст суперпозицию самого пространства-времени, и здесь мы, возможно, сможем увидеть совершенно новую физику», — сказал Фолман.
В случае успеха такие эксперименты могут предложить новые способы исследования нерешенной взаимосвязи между квантовой механикой и гравитацией. Исследователи также видят долгосрочный потенциал для лежащих в основе методов в квантовых датчиках, способных к чрезвычайно точным измерениям гравитации и ускорения, включая использование в геодезии, геологическом картировании и навигации, где сигналы GPS недоступны.