Учёные впервые наблюдали проявление гравитации Эйнштейна в квантовом мире
Международная группа физиков впервые напрямую зафиксировала давно предсказанный квантовый эффект гравитации. Эксперимент показал, что один из фундаментальных принципов общей теории относительности сохраняет справедливость даже для объектов, подчиняющихся законам квантовой механики. Результаты работы были опубликованы 2 сентября в журнале *Science Advances*. Подробнее о проведённом исследовании рассказывается в материале о [квантовой гравитации и эксперименте с ультрахолодными атомами](https://www.sciencedaily.com/releases/2026/09/260907201552.htm).
В проекте участвовали специалисты Университета имени Бен-Гуриона в Негеве, Университета Ульма и Оксфордского университета. Среди авторов - нобелевский лауреат сэр Роджер Пенроуз. Исследователи поставили эксперимент, в котором квантовую волну атома разделили на две части: одна оставалась практически неподвижной, а другая свободно падала под действием земного притяжения. После этого обе части вновь объединили, чтобы измерить чрезвычайно малое различие, возникшее между ними.
Современная физика опирается на два исключительно успешных, но пока не полностью объединённых описания природы. Квантовая механика объясняет поведение атомов, элементарных частиц и других микроскопических объектов. Теория относительности Эйнштейна описывает гравитацию, движение массивных тел и структуру Вселенной в больших масштабах. Главная трудность заключается в том, что эти две теоретические системы пока не сведены в единую завершённую картину.
Новый эксперимент исследует область, где квантовые законы соприкасаются с гравитацией. Учёные измерили изменение квантового состояния атомов, перемещавшихся в гравитационном поле. Полученный результат совпал с расчётами, основанными на принципе эквивалентности Эйнштейна, если применить его не к обычному телу, а к квантовому объекту.
Проверка принципа эквивалентности
Согласно принципу эквивалентности, локально гравитацию невозможно отличить от ускоренного движения системы отсчёта. Иными словами, человек в свободно падающем лифте ощущал бы невесомость: все предметы вокруг него двигались бы с одинаковым ускорением. Этот принцип неоднократно подтверждали с очень высокой точностью для макроскопических тел, однако его проверка на квантовых объектах намного сложнее.
Причина в необычном поведении микромира. Атом может проявлять волновые свойства, находиться в суперпозиции состояний и как бы одновременно следовать несколькими траекториями. Поэтому исследователям необходимо было создать установку, способную разделить квантовую волну, по-разному воздействовать на её части, а затем сравнить их после повторного объединения.
Для этой цели команда разработала прибор под названием Quantum Galileo Interferometer - квантовый интерферометр Галилея. Опыт проводили с облаками атомов рубидия, охлаждённых почти до абсолютного нуля. Атомы располагались рядом со специально сконструированным чипом, содержащим миниатюрные электрические проводники.
Сначала с помощью микроволновых импульсов атомы переводили в состояние квантовой суперпозиции. Затем встроенные в чип провода формировали тщательно рассчитанные магнитные поля. Одна часть атомной волны взаимодействовала с полем, которое создавало направленную вверх силу и компенсировало притяжение Земли. Благодаря этому соответствующая часть волны оставалась неподвижной относительно лаборатории.
Вторая часть получила короткий магнитный импульс, после чего её перевели в состояние, почти не реагировавшее на магнитное поле. Она начала свободно двигаться под действием гравитации по баллистической траектории - примерно так же, как брошенный вверх мяч, который затем возвращается вниз.
Когда свободное падение завершилось, новый магнитный импульс снова свёл две части атомной волны вместе. Их интерференция позволила измерить разницу квантовых фаз, накопившуюся за время эксперимента. Именно эта разница стала своеобразным отпечатком воздействия гравитации на квантовый объект.
Гравитация оставляет квантовый след
Измеренная фаза практически полностью совпала с теоретическим прогнозом, полученным при применении принципа эквивалентности Эйнштейна к квантовой волне. Таким образом, работа установила прямую экспериментальную связь между квантовой физикой и релятивистским описанием гравитации.
Квантовые частицы уже использовались в опытах для измерения силы тяжести. Однако нынешний результат отличается тем, что исследователи непосредственно зарегистрировали предсказанное изменение квантовой фазы, возникающее у свободно падающего объекта. Именно поэтому эксперимент рассматривается как важный этап в развитии направления, которое часто называют квантовой гравитацией.
По словам ведущего автора работы, профессора Рона Фолмана из Университета имени Бен-Гуриона, исследование объединяет сложную экспериментальную технику и фундаментальный теоретический вопрос: каким образом гравитация воздействует на объект, который одновременно демонстрирует свойства частицы и волны.
Важность результата выходит за пределы проверки одной формулы. Подобные исследования квантовой физики помогают определить, насколько далеко можно распространять привычные положения общей теории относительности. Если в будущем удастся повысить чувствительность приборов, учёные смогут проверять возможные отклонения от принципа эквивалентности и искать признаки неизвестных взаимодействий.
Следующий этап может включать эксперименты с ещё более тяжёлыми объектами, более длительным свободным падением и сложными квантовыми состояниями. Такие условия позволят усилить гравитационный вклад и точнее сравнить предсказания классической теории с поведением квантовых систем.
Работа также демонстрирует, как новые открытия в физике возникают на стыке разных научных подходов. Ультрахолодные атомы, магнитные микроструктуры и интерферометрические методы превращают фундаментальные идеи Эйнштейна в проверяемые лабораторные измерения. Хотя полноценная теория, объединяющая квантовую механику и гравитацию, ещё не создана, подобные эксперименты постепенно очерчивают путь к её поиску.