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On a specially designed atom chip at Ben-Gurion University of the Negev, clouds of ultracold rubidium atoms were split into two quantum paths. One part was held stationary relative to the laboratory and Earth; the other was put into free fall. Their interference revealed the first direct measurement of the quantum phase predicted for a freely falling object, according to the researchers from Ben-Gurion, the University of Ulm and the University of Oxford.
Su un chip atomico appositamente progettato all'Università Ben-Gurion del Negev, nubi di atomi di rubidio ultrafreddi sono state divise in due percorsi quantistici. Una parte è stata mantenuta ferma rispetto al laboratorio e alla Terra; l'altra è stata posta in caduta libera. La loro interferenza ha rivelato la prima misurazione diretta della fase quantistica prevista per un oggetto in caduta libera, secondo i ricercatori di Ben-Gurion, dell'Università di Ulm e dell'Università di Oxford.
The test targets Einstein’s equivalence principle. For an observer in free fall, the principle says, gravity must disappear locally—a lift or airplane falling freely can leave its occupants weightless. Quantum objects complicate the picture because they can behave like waves and travel along more than one path. The experiment asked whether that same gravitational rule still applies when an atomic wave occupies both paths.
Il test prende di mira il principio di equivalenza di Einstein. Per un osservatore in caduta libera, afferma il principio, la gravità deve scomparire localmente: un ascensore o un aereo in caduta libera possono lasciare i loro occupanti senza peso. Gli oggetti quantistici complicano il quadro perché possono comportarsi come onde e percorrere più di un cammino. L'esperimento si è chiesto se la stessa regola gravitazionale valga ancora quando un'onda atomica occupa entrambi i percorsi.
Microwave pulses first placed the ultracold rubidium atoms into quantum superposition. Tiny electrical wires on the chip then created magnetic fields: an upward force held one wave against gravity, while a magnetic pulse pushed the other upward before the magnetic field was removed to simulate free fall. A final pulse recombined the two parts, allowing the interferometer to measure their tiny difference in quantum phase.
Impulsi a microonde hanno dapprima posto gli atomi di rubidio ultrafreddi in una sovrapposizione quantistica. Minuscoli fili elettrici sul chip hanno quindi creato campi magnetici: una forza diretta verso l'alto ha mantenuto un'onda contro la gravità, mentre un impulso magnetico ha spinto l'altra verso l'alto prima che il campo magnetico venisse rimosso per simulare la caduta libera. Un impulso finale ha ricombinato le due parti, consentendo all'interferometro di misurare la loro minima differenza di fase quantistica.
That phase difference matched Einstein’s prediction. Similar experiments had already used quantum objects to measure gravity, but the researchers say this is the first direct measurement of the predicted phase of a freely falling object. The findings were published in Science Advances. Oxford physicist Vlatko Vedral said the result takes quantum mechanics into gravity without showing that the two major frameworks have been unified.
La differenza di fase ha coinciso con la previsione di Einstein. Esperimenti analoghi avevano già usato oggetti quantistici per misurare la gravità, ma i ricercatori affermano che questo è il primo a misurare direttamente la fase prevista di un oggetto in caduta libera. I risultati sono stati pubblicati su Science Advances. Il fisico di Oxford Vlatko Vedral ha affermato che il risultato porta la meccanica quantistica nel campo della gravità, senza dimostrare che i due principali quadri teorici siano stati unificati.
Concretely, the advance gives researchers a demonstrated laboratory route for testing gravity with quantum matter and points toward experiments on more massive objects. For now, the boundary has moved in a precise but limited way: Einstein’s equivalence principle holds in this quantum test, while Penrose’s question about long-lived superpositions of massive objects remains open.
In concreto, il progresso offre ai ricercatori una procedura di laboratorio dimostrata per studiare la gravità con la materia quantistica e indica la strada verso esperimenti su oggetti più massicci. Per ora, il confine è avanzato in modo preciso ma limitato: il principio di equivalenza di Einstein vale in questo test quantistico, mentre resta aperta la questione sollevata da Penrose sulle sovrapposizioni di lunga durata di oggetti massicci.