Spadający kondensat sprawdzi teorię względności

Po co zrzucać kapsułę zawierającą chmurę atomów rubidu, zestaw laserów i pułapkę magnetyczną w dół 110-metrowego szybu? Odpowiedź: by sprawdzić fundament słynnej teorii Alberta Einsteina!

Od niemal stu lat fizyka cierpi na coś w rodzaju rozdwojenia jaźni. Współcześnie opiera się bowiem na dwóch bardzo solidnych, ale wzajemnie niekompatybilnych fundamentach: ogólnej teorii względności oraz mechanice kwantowej. Można powiedzieć, że pierwsza z nich bezbłędnie radzi sobie z opisem Wszechświata w skali makro (włącznie z Wszechświatem jako całością), podczas gdy druga doskonale odzwierciedla skalę mikro - w tym własności podstawowych składników materii.

Już sam Einstein, a po nim kolejne generacje fizyków próbowali i wciąż próbują połączyć te dwie zwaśnione teorie w jedną spójną strukturę teoretyczną. Jak dotąd ten ambitny projekt nie został uwieńczony sukcesem, co w dużej mierze spowodowane jest brakiem danych eksperymentalnych. O ile bowiem każda z dwu wspomnianych powyżej teorii zwycięsko przechodzi kolejne testy w opisywanych przez siebie skalach Wszechświata, o tyle trudno jest przeprowadzić dobre doświadczenie na pograniczu tych skal. Mowa tu o układach rozmiarów milimetrowych, w których zarówno zjawiska kwantowe, jak i relatywistyczne (tj. opisywane przez teorię względności) są praktycznie niezauważalne.

Od 15 lat naukowcy są jednak w stanie tworzyć taki układ fizyczny, który mimo swoich makroskopowych rozmiarów wciąż przejawia niezwykłe kwantowomechaniczne właściwości. Mowa tu o tzw. BEC, czyli kondensacie Bosego-Einsteina (wym. bozego-ajnsztajna). Kondensat ten można wyobrażać sobie jako gaz, którego cząstki ulegają tak silnemu kwantowemu rozmyciu, iż w ogóle przestaje być sensowne mówienie o poszczególnych cząstkach - układ stanowi pojedynczą falę materii.

Tworzenie i badanie tego układu wymaga niestety wiele zachodu. Przeważnie polega to na wzięciu zwykłego gazu atomowego (np. rubidu-87), uwięzieniu go w pułapce magnetycznej i schłodzeniu - np. za pomocą lasera - do ultraniskich temperatur (w wyższych efekty kwantowe przegrywają z chaotycznymi ruchami termicznymi). Potem pułapka jest wyłączana, a kondensat po rozdęciu się do milimetrowych rozmiarów chmurki jest poddawany laserowym pomiarom. Nic dziwnego, że potrzebna jest tu zaawansowana aparatura rozłożona na stabilnym, laboratoryjnym stole.

No, z tym stołem to już nieaktualne. Ostatnio uczonym z Uniwersytetu w Hanowerze (Niemcy) udało się zapakować cały opisany w poprzednim akapicie zestaw doświadczalno-pomiarowy do specjalnej kapsuły, w której BEC jest otrzymywany i badany podczas 4,7-sekundowego spadku w dół 110-metrowego szybu. Na koniec kapsuła ląduje bezpiecznie w głębokim na 8 metrów zbiorniku wypełnionym styropianowymi kuleczkami. Dostępny jest krótki materiał filmowy z przebiegu eksperymentu.

Można spytać: "No dobrze, ale co tu ma do rzeczy ogólna teoria względności?". Otóż ma - i idzie tu nawet o kwestie zasadnicze. Słynna teoria Einsteina opiera się bowiem na tzw. zasadzie równoważności, która stanowi, że siła grawitacji jest lokalnie nieodróżnialna od sił bezwładności. Mówiąc obrazowo, dla człowieka w spadającej (i nieprzeźroczystej) windzie nie istnieje sposób, aby dowiedział się, czy spada, czy po prostu grawitacja się "wyłączyła" (pomijamy tu końcowe uderzenie o grunt jako potencjalne źródło wiedzy).

Choć zasada ta wydaje się (?) rozsądna, to wciąż nie wiadomo, czy podlegają jej także układy kwantowe. To właśnie niemiecki kondensat, postawiony w sytuacji nieszczęśnika z poprzedniego akapitu, ma pozwolić ustalić to raz na zawsze. Jeśli zasada okaże się spełniona, podpowie to sposób na rozszerzenie mechaniki kwantowej o efekty relatywistyczne. Jeśli nie, wskaże to miejsca, w których trzeba poprawić Einsteina. W obu przypadkach, dostarczy to tak potrzebnych empirycznych wskazówek dla teoretyków poszukujących głębszego, jednolitego opisu rzeczywistości.

Źródło: New Scientist • physicsworld.com