Физики обнаружили гравитационный эффект Ааронова — Бома

Американские физики сообщили об экспериментальном обнаружении гравитационного эффекта Ааронова — Бома. Для этого они наблюдали квантовую интерференцию между траекториями атомов, лежащих на разных расстояниях от массивного предмета. Исследование опубликовано в Science.

Тела в классической механике подчиняются уравнениям Ньютона, которые формулируются через векторы сил. Этот принцип остался неизменным при объединении механики с электромагнетизмом. Это означает, что непосредственному измерению в классической физике подлежат лишь силовые характеристики электромагнитных полей, а именно вектор напряженности электрического поля и вектор магнитной индукции. Скалярный и векторный электромагнитные потенциалы при этом считались удобными математическими величинами, а вопрос об их физической сущности долгое время оставался открытым.

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 измеряли 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.

Атомные ансамбли — это прекрасный инструмент для наблюдения необычных фундаментальных эффектов. Недавно с их помощью экспериментально подтвердили подавления рассеяния света, вызванного блокировкой Паули.

Марат Хамадеев