Tři univerzity: izraelská Ben-Gurionova univerzita v Negevu, německá univerzita v Ulmu a britská univerzita v Oxfordu, spojily síly, aby provedly něco, co na první pohled připomíná školní cvičení: nechat padat předměty a sledovat, co se s nimi stane. Experiment, který právě zveřejnili v prestižním časopise Science Advances, však není vůbec triviální: těmito „předměty“ jsou jednotlivé atomy rubidia a měřilo se, zda gravitace popsaná obecnou teorií relativity funguje stejně i v oblasti kvantové fyziky, oboru, který popisuje chování částic a atomů.
Věčný rozpor mezi velkým a malým
Fyzika 20. století nám zanechala dvě mimořádně silné, ale navzájem neslučitelné teorie. Na jedné straně Einsteinova obecná relativita vysvětluje, že to, čemu říkáme gravitace, je ve skutečnosti deformace časoprostoru způsobená objekty s hmotností. Tato myšlenka dokonale popisuje chování planet, hvězd a galaxií. Na druhé straně kvantová mechanika odhaluje, že atomy a subatomární částice se řídí zcela odlišnými pravidly: mohou se chovat jako vlny, existovat v několika stavech najednou a popírat i tu nejzákladnější intuici. Sladění těchto dvou rámců do jediné sjednocené teorie zůstává i nadále jednou z největších výzev, před nimiž věda stojí.
Isaac Newton přesně popsal vliv gravitace na kapky deště, dělové koule či lidi, ale jeho rovnice selhávají u objektů s extrémně velkou hmotností nebo u těch, které se pohybují rychlostí blížící se rychlosti světla. Zde vstupuje na scénu Einstein, jehož obecná relativita tato omezení napravuje. Když však upřeme pozornost na velmi malé částice, elektrony, fotony, atomy, ani Newton, ani Einstein nestačí k vysvětlení pozorovaných jevů. Štafetu přebírá kvantová fyzika, i když její nejpodivnější jevy mají tendenci se ztrácet, když se atomy seskupují a tvoří každodenní předměty, které můžeme vidět a dotknout se jich. Otázka, která je hnacím motorem této nové studie, je přímá: dodržuje gravitace Einsteinovy předpovědi i na kvantové úrovni?
Předchůdce z roku 2014: Galileo v atomovém měřítku
Cesta k tomuto výzkumu již měla své předchůdce. V roce 2014 časopis Physical Review Letters zveřejnil experiment, v němž byly současně vypuštěny dva atomy s odlišnými hmotnostmi, jeden draselný a druhý rubidiový, který váží více než dvojnásobek, aby se ověřilo, zda dopadnou na zem ve stejný okamžik, jak to kolem roku 1590 prokázal Galileo na šikmé věži v Pise s makroskopickými předměty. Výsledek potvrdil, že volný pád se chová identicky bez ohledu na hmotnost, ať už jde o dělovou kouli nebo o jediný atom. Tato práce potvrdila Galileovu teorii gravitace v mikroskopickém měřítku; nová studie se snažila jít o krok dál a otestovat Einsteinovu verzi.
Volný pád: když gravitace „zmizí“
Einsteinovy teorie předpovídají něco, co může znít protiintuitivně: objekt ve volném pádu přestává vnímat gravitaci. Nejznámějším příkladem jsou astronauti na Mezinárodní vesmírné stanici. Ve výšce, v níž obíhají, se gravitace sníží jen na 80 % té, kterou pociťujeme na úrovni mořské hladiny, a přesto se zdá, jako by se vznášeli. Důvodem je, že neustále padají směrem k Zemi, zatímco se pohybují po dráze rychlostí asi 27 600 km/h, což tento pád kompenzuje. Toto zdánlivé zrušení gravitace během volného pádu je jedním z pilířů obecné relativity, ale platí to i v případě atomů, na které se vztahují kvantové zákony?
Galileův kvantový interferometr
Aby na tuto otázku odpověděl, tým navrhl přístroj pojmenovaný „Galileův kvantový interferometr“. Interferometr je v podstatě zařízení, které měří, do jaké míry se dvě vlny, které dříve kmitaly v souzvuku, rozladily. Přídavné jméno „kvantový“ dává smysl, protože kvantová mechanika stanoví, že částice jako elektrony, fotony, částice světla, a dokonce i atomy se mohou chovat jako vlny a stejně jako vlny na hladině rybníka mohou, když obcházejí překážku, interferovat samy se sebou.
Experimentální postup probíhal v několika fázích. Nejprve vědci ochladili atomy rubidia téměř na absolutní nulu, tedy na nejnižší teplotu, kterou příroda umožňuje, což je přibližně -273 °C. Následně tyto atomy umístili na čip. Je vhodné si každý atom představit nikoli jako maličkou kuličku, ale jako vlnu, protože právě tak se v tomto měřítku chová. Pomocí magnetických polí zadrželi jednu vlnu každého atomu, zatímco druhou vyslali směrem nahoru. Když se tato druhá vlna vrátila zpět do své výchozí polohy, tým obě vlny porovnal a změřil, o kolik se posunuly jejich vrcholy a údolí, přičemž využil schopností interferometru.
Einstein má i v tomto případě pravdu
Výsledek byl jednoznačný: naměřená fázová odchylka mezi oběma vlnami přesně odpovídala tomu, co předpovídá Einsteinova obecná relativita. Jinými slovy, gravitace působí na tyto atomy rubidia přesně tak, jak předpovídá Einsteinova teorie, což potvrzuje, že princip ekvivalence, myšlenka, že volný pád ruší vnímání gravitace, platí i ve světě kvantové fyziky.
Profesor Ron Foldman z Ben-Gurionovy univerzity v Negevu tvrdí, že „tyto dva pilíře moderní fyziky [relativita a kvantová fyzika] se dosud vyhýbaly všem pokusům o sjednocení v teoretickém rámci, ale tento složitý experiment poskytuje další vodítka k tomu, jak by mohlo být takového sjednocení dosaženo“. Je však třeba být opatrný: sjednocení obou teorií, pokud k němu někdy dojde, bude mimořádně složité. Tato práce může přispět jako další kousek skládačky, ale považovat ji za rozhodující pokrok by bylo předčasné. Spíše než o zásadní objev jde o krok správným směrem.