Фізики виявили гравітаційний ефект Ааронова - Бома

Американські фізики повідомили про експериментальне виявлення гравітаційного ефекту Ааронова - Бома. Для цього вони спостерігали квантову інтерференцію між траєкторіями атомів, що лежать на різних відстанях від масивного предмета. Дослідження опубліковано в.

Тіла в класичній механіці підпорядковуються рівнянням Ньютона, які формулюються через вектори сил. Цей принцип залишився незмінним при об'єднанні механіки з електромагнетизмом. Це означає, що безпосередньому виміру в класичній фізиці підлягають лише силові характеристики електромагнітних полів, а саме вектор напруженості електричного поля і вектор магнітної індукції. Скалярний і векторний електромагнітні потенціали при цьому вважалися зручними математичними величинами, а питання про їх фізичну сутність довгий час залишалося відкритим.

Квантова механіка привнесла нову межу в цю проблему. У 1959 році Ааронов і Бом розглянули завдання про електрону, що проходить через дві щілини в присутності джерела електромагнітного поля. Вони звернули увагу на те, що якщо траєкторії електрону будуть розташовані в областях з різними значеннями потенціалу, то це повинно позначитися на фазовому зрушенні інтерференційної картини навіть у тому випадку, якщо силові вектори вздовж них будуть рівні нулю. Через рік цей ефект був виявлений експериментально, що стало доказом того, що електромагнітні потенціали (вірніше, інтеграли від них) незалежно спостерігаються, а тому фізичні.

Після такого успіху фізики пішли далі і задалися питанням, чи можна виявити такий же ефект для гравітаційного поля? Загальна теорія відносності давала позитивну відповідь на нього, оскільки власний час частинок, що вільно падають в різних гравітаційних потенціалах має різнитися. Але щоб ефект можна було виявити, гравітаційний потенціал повинен відчутно змінюватися на відстані, на яку розділені обидві частини хвильового пакету частинки. Варіант такого експерименту був запропонований ще в 2012 році, але до недавнього часу нікому не вдавалося його реалізувати.

Кріс Оверстріт (Chris Overstreet) з колегами зі Стенфордського університету повідомили про те, що їм вдалося експериментально виявити гравітаційний ефект Ааронова - Бома. Ідея їхнього досвіду загалом повторювала традиційний інтерферометричний експеримент. Джерелом гравітації служило масивне вольфрамове кільце масою 1,25 кілограм, закріплене у верхній частині вертикальної десятиметрової вакуумної труби, як частинки фізики вибрали атоми рубідію, які вони запускали в трубу знизу в режимі вільного падіння, а роль щілин відігравали короткоживучі світлові решітки, що формуються лазерними імпульсами. Решітки розщеплювали атомний хвильовий пакет на дві частини, за рахунок передачі їм імпульсів різного знака. Ці частини поширювалися по різних траєкторіях, одна з яких була ближче до кільця, ніж інша.

Ключова особливість нової роботи полягала у високому ступені просторового поділу плечей інтерферометра (до 25 сантиметрів), якими летять атоми. Цього вдалося домогтися за допомогою великої імпульсопередачі (різниця між плечима склала 52 імпульсу фотону). Такий великий поділ поставив плечі в різні умови щодо гравітаційного потенціалу кільця. Фізики вимірювали різність фаз за допомогою флуоресцентної візуалізації об'єднаних пучків.

На шляху вилучення з експерименту фази Ааронова - Бома стояло механічне спотворення траєкторій атомів під дією гравітації. Це дуже маленький ефект для макроскопічного масштабу, але він відчутний на мікрорівні, де набіг фази також відбувається дуже швидко. Важливо, що на відміну від фази Ааронова - Бома цей ефект залежить від сили, яка визначається через градієнт потенціалу. Щоб врахувати цей ефект, фізики модифікували досвід, додавши невелике додаткове розщеплення в кожному з плечей (з різницею в 4 імпульсу фотона). Це дозволило їм провести гравітаційну градіометрію і відняти її ефект з виразу для загальної фази. Віднімання також допомогло позбутися фазових стрибків на оптичних решітках.

Вчені будували залежності фазових зрушень, вимірених у всіх частинах інтерферометра, від висоти, на якій розташовувалося кільце. Якщо кільце було нижче, ніж вершина верхньої траєкторії, спотворення, викликані тяжінням, починали компенсувати один одного, зменшуючи відповідну фазу. У цьому діапазоні параметрів внесок у повну фазу головним чином давав ефект Ааронова - Бома зі статистичною значимістю 7º.

Атомні ансамблі - це прекрасний інструмент для спостереження незвичайних фундаментальних ефектів. Нещодавно за їх допомогою експериментально підтвердили придушення розсіювання світла, викликаного блокуванням Паулі.