Проверить, подчиняется ли гравитация законам классической физики или квантовой механики, нелегко. Обнаружить месторождения полезных ископаемых из космоса и травить литографии размером с атом тоже не так просто. Но вскоре все три задачи могут относиться к квантовому феномену, называемому конденсатом Бозе-Эйнштейна (БЭК). 

Пожалуй , наиболее драматичным является сокращение численности BECs позволяет роли физики размышляли могут потребовать несуразно огромную и дорогой частицы ускорителя размера галактики Млечного Пути. Тем не менее, недавние исследовательские предложения предполагают, что крошечное переохлажденное облако атомов могло бы стать более практичным настольным экспериментом, который исследует тайну того, является ли гравитация классической или квантовой по своей природе.

Предлагаемый эксперимент будет использовать конденсат Бозе-Эйнштейна - миллиарды атомов, охлажденных почти до абсолютного нуля, так что они будут вести себя как один большой атом с точки зрения квантовой механики - внутри сферической ловушки миллиметрового размера и посмотреть, как он реагирует на собственную гравитационную ловушку. тянуть. Если гравитация является классической по своей природе, охлажденное облако атомов может следовать классическому распределению вероятностей только под действием собственного гравитационного притяжения. Но если гравитация является квантовой по своей природе, облако атомов может измениться от своего первоначального классического распределения вероятностей до квантового распределения вероятностей.

«Использование настольных экспериментов кажется единственной обозримой возможностью проверить квантовую гравитацию в лаборатории», - говорит Ричард Хоул , физик и научный сотрудник Гонконгского университета.

С тех пор, как лауреаты Нобелевской премии физики впервые создали конденсаты Бозе-Эйнштейна (БЭК) еще в 1995 году, они стали важной частью как лабораторных экспериментов, так и коммерческих приложений. БЭК уже используются в гравиметрах, которые могут обнаруживать небольшие изменения силы тяжести Земли для целей разведки нефти и других геофизических исследований. Исследователи изучали их полезность в оптических вычислениях . Они могут лечь в основу атомных лазеров и литографии атомного масштаба с очевидными возможными применениями в нанотехнологиях и электронике наноразмеров. И они помогли измерить ньютоновскую гравитационную постоянную и протестировали принцип эквивалентности общей теории относительности для физических экспериментов, говорит Хаул. 

Такие знания вдохновили Хаула и международную команду коллег на предложение о том, как БЭК могут помочь измерить возможную квантовую природу гравитации в статье, опубликованной 17 февраля 2021 года в журнале PRX Quantum . Первоначально Хаул проводил исследование в Ноттингемском университете в Великобритании.

Предлагаемый настольный эксперимент, хотя и более осуществимый, чем создание преемника размером с галактику Большого адронного коллайдера в Швейцарии, будет иметь свои собственные сложности. По словам Саймона Хейна , физика и научного сотрудника Австралийского национального университета в Канберре, самая большая проблема, вероятно, будет связана с попыткой измерить относительно слабые гравитационные взаимодействия внутри BEC при минимизации эффекта остаточных электромагнитных взаимодействий между атомами . Он разработал собственное предложение по настольному эксперименту, которое было впервые загружено на сервер препринтов arXiv еще в 2018 году.

В своей статье, недавно опубликованной 15 марта 2021 года в New Journal of Physics , Хейн подсчитал, что электромагнитные взаимодействия в  10 15  раз больше, чем гравитационные взаимодействия в предложенной им версии эксперимента. Это может несколько отличаться в зависимости от различных экспериментальных конфигураций, но, как правило, это означает, что исследователям необходимо будет улучшить технологическое состояние для управления и минимизации таких электромагнитных взаимодействий.

«В последнее время был достигнут некоторый прогресс в управлении этими взаимодействиями с помощью лазеров, а не магнитных полей», - объясняет Хейн. «Возможно, это поможет преодолеть некоторые из этих препятствий, но это исследование все еще находится в зачаточном состоянии».

Другая проблема заключается в том, что такой эксперимент необходимо будет повторить много раз - Хейн оценил 10 5  повторений для своего экспериментального предложения - чтобы собрать достаточно статистических данных, чтобы разрешить крошечные гравитационные эффекты. И исследователи должны создать невероятно стабильную среду, чтобы свести к минимуму другие нарушения. «Эксперимент BEC очень сложен и чувствителен к таким вещам, как крошечные температурные дрейфы в здании, колебания давления воды в трубах, используемых для охлаждения магнитных катушек, и другие повседневные вещи», - говорит Хейн.

Несмотря на некоторые незначительные различия в подходах, в работах группы коллег Хейна и Хаула разделяется схожее видение того, как проводить настольный эксперимент. Это могло бы помочь разрешить противоречивые теории о том, является ли гравитация классической или квантовой, предоставив первые твердые экспериментальные доказательства, так или иначе, наряду с вдохновением новых направлений исследований для квантовой гравитации и квантовой теории. Хаул и несколько его коллег стали частью международного консорциума под названием « Квантовая информационная структура пространства-времени (QISS)», который частично черпает вдохновение в предложениях о таких настольных экспериментах.

По словам Хейна и Хаула, также возможны дополнительные технологические преимущества, такие как усовершенствование коммерческих гравиметров, используемых для обнаружения гравитационной сигнатуры минералов. Последний также отметил, что экспериментальная установка может помочь в дополнительных исследованиях, направленных на поиск гравитационных волн.

Предложения о настольных испытаниях квантовой гравитации могут оказаться технически невыполнимыми в ближайшие десятилетия или два. И даже если в данном случае они будут более практичными, чем создание гигантского ускорителя элементарных частиц, Хоул считает, что ускорители элементарных частиц по-прежнему стоит строить для многих других типов фундаментальных исследований, связанных с физикой Хиггса, суперсимметрией и темной материей.

Тем не менее, исследовательские организации могут начать перенаправлять некоторые ресурсы на настольные эксперименты, которые сравнительно намного дешевле, чем создание преемника Большого адронного коллайдера стоимостью 5 миллиардов долларов в Женеве, Швейцария.

«Что касается финансирования, - говорит Хоул, - я подозреваю, что финансирующие организации будут внимательно следить за переводом некоторых ресурсов на настольные эксперименты, поскольку в настоящее время они составляют лишь часть стоимости ускорителей крупных частиц».