Иллюстрация: Chris Overstreet et al. / Science. Совсем недавно группа американских физиков опубликовала в журнале Science результаты своего экспериментального исследования, в котором им удалось обнаружить уникальный гравитационный эффект Ааронова – Бома. Ученые наблюдали квантовую интерференцию между атомами, движущимися по траекториям на различных расстояниях от массивного объекта. В классической механике тела подчиняются уравнениям Ньютона, которые описывают взаимодействие тел через векторы сил. При объединении механики с электромагнетизмом этот принцип сохранился, что означает возможность прямого измерения только силовых характеристик электромагнитных полей: вектора напряженности электрического поля и вектора магнитной индукции. Скалярный и векторный электромагнитные потенциалы справедливо рассматривались как удобные математические величины, а вопрос о их физической природе оставался открытым на протяжении длительного времени.
Квантовая механика привнесла новую грань в эту проблему. В 1959 году Ааронов и Бом рассмотрели задачу об электроне, проходящем через две щели в присутствии источника электромагнитного поля. Они обратили внимание на то, что если траектории электрона будут расположены в областях с различными значениями потенциала, то это должно сказаться на фазовом сдвиге интерференционной картины даже в том случае, если силовые вектора вдоль них будут равны нулю. Спустя год этот эффект был обнаружен экспериментально, что стало доказательством того, что электромагнитные потенциалы (вернее, интегралы от них) независимо наблюдаемы, а потому физичны.
После такого успеха физики пошли дальше и задались вопросом, можно ли обнаружить такой же эффект для гравитационного поля? Общая теория относительности давала положительный ответ на него, поскольку собственное время частиц, свободно падающих в различных гравитационных потенциалах должно различаться. Но чтобы эффект можно было обнаружить, гравитационный потенциал должен ощутимо меняться на расстоянии, на которое разделены обе части волнового пакета частицы. Вариант такого эксперимента был предложен еще в 2012 году, но до недавнего времени никому не удавалось его реализовать.
Крис Оверстрит (Chris Overstreet) с коллегами из Стэнфордского университета сообщили о том, что им удалось экспериментально обнаружить гравитационный эффект Ааронова — Бома. Идея их опыта в целом повторяла традиционный интерферометрический эксперимент. Источником гравитации служило массивное вольфрамовое кольцо массой 1,25 килограмм, закрепленное в верхней части вертикальной десятиметровой вакуумной трубы, в качестве частиц физики выбрали атомы рубидия, которые они запускали в трубу снизу в режиме свободного падения, а роль щелей играли короткоживущие световые решетки, формируемые лазерными импульсами. Решетки расщепляли атомный волновой пакет на две части, за счет передачи им импульсов разного знака. Эти части распространялись по разным траекториям, одна из которых была ближе к кольцу, чем другая.
Ключевая особенность новой работы, заключалась в высокой степени пространственного разделения плечей интерферометра (до 25 сантиметров), по которым летят атомы. Этого удалось добиться с помощью большой импульсопередачи (разница между плечами составила 52 импульса фотона). Такое большое разделение поставило плечи в разные условия относительно гравитационного потенциала кольца. Физики мерили разность фаз с помощью флуоресцентной визуализации объединенных пучков.
На пути извлечения из эксперимента фазы Ааронова — Бома стояло механическое искажение траекторий атомов под действием гравитации. Это очень маленький эффект для макроскопического масштаба, но он ощутим на микроуровне, где набег фазы также происходит очень быстро. Важно, что в отличие от фазы Ааронова — Бома этот эффект зависит от силы, которая определяется через градиент потенциала. Чтобы учесть этот эффект, физики модифицировали опыт, добавив небольшое дополнительное расщепление в каждом из плечей (с разницей в 4 импульса фотона). Это позволило им провести гравитационную градиометрию и вычесть ее эффект из выражения для общей фазы. Вычитание также помогло избавиться от фазовых скачков на оптических решетках.
Ученые строили зависимости фазовых сдвигов, измеренных во всех частях интерферометра, от высоты, на которой располагалось кольцо. Если кольцо было ниже, чем вершина верхней траектории, искажения, вызванные притяжением, начинали компенсировать друг друга, уменьшая соответствующую фазу. В этом диапазоне параметров вклад в полную фазу главным образом давал эффект Ааронова — Бома со статистической значимостью 7σ.
Фазовый сдвиг, измеренный на 52-импульсных плечах установки, в зависимости от высоты кольца. Красной линией обозначены результаты моделирования с помощью полуклассического подхода, серой – вклад от искажения траекторий. Chris Overstreet et al. / Science
Фазовый сдвиг, измеренный на 4-импульсных плечах в верхней (светло-синий) и нижней (темно-синий) частях большого интерферометра. Chris Overstreet et al. / Science
Фазовый сдвиг, полученный вычитанием из общего сдвига всех градиентных вкладов, соответствующих гравитационному эффекту Ааронова-Бома. Chris Overstreet et al. / Science
Автор: Марат Хамадеев
Источник: https://nplus1.ru/
