Вселенная в том виде, в котором мы ее знаем, подчиняется двум всеобъемлющим принципам. В мире небесной механики общая теория относительности Альберта Эйнштейна объясняет взаимосвязь между массой и энергией, а в мире субатомных частиц царит квантовая механика. Однако на протяжении почти целого столетия с этой универсальной формулировкой возникала серьезная проблема: эти две теории не согласуются друг с другом.
Одним из ключевых неразрешённых вопросов является гравитация. Эйнштейн утверждал, что это эффект, вызванный искривлением пространства-времени. Напротив, квантовые физики выдвигают гипотезу о том, что гравитационное взаимодействие осуществляется посредством (пока что теоретического) переносчика силы, известного как гравитон.
На протяжении почти ста лет учёные пытались найти доказательства, которые могли бы связать воедино эти две великие теории, но пока что их союз остаётся невозможным.
Новое исследование, проведенное в феврале 2026 г учеными из Австралийского национального университета (ANU) в Канберре, Университета Квинсленда и Университета Оклахомы, впервые экспериментально подтвердило, что импульс атомов может быть запутан.
Хотя ученые знали о запутанности атомов (и запутанности импульса фотона) уже несколько десятилетий, это первое подтверждение запутанности атомного импульса имеет решающее значение для понимания этого явления. Атомы обладают массой и, таким образом, позволяют ученым изучать квантовые эффекты и гравитационные силы в рамках одного эксперимента. Результаты исследования были опубликованы в журнале Nature Communications.
Для эксперимента ультрахолодные атомы гелия охлаждались и удерживались в магнитной ловушке. Затем ловушка выключалась и атомы падали под действием гравитации через серию лазерных импульсов. Лазеры создавали суперпозицию траекторий — каждый атом двигался по двум путям одновременно.
Эта установка представляет собой так называемый интерферометр Рарити-Тапстера (специально разработанное оптическое устройство для измерения нелокальности или квантовой запутанности) в рамках так называемого метода проверки неравенств Белла (который позволяет проверить нелокальную природу частиц в противовес локальному реализму Эйнштейна).
Данное исследование впервые распространяет демонстрацию квантовой нелокальности на внешние (импульсные) степени свободы массивных частиц. До этого нарушения неравенств Белла наблюдались только для внутренних степеней свободы (поляризация фотонов, спин электронов и атомов) и безмассовых частиц (фотонов).
Потенциал для изучения квантовой гравитации
Наиболее значимым аспектом открытия является его потенциальная применимость к фундаментальным вопросам, лежащим на стыке квантовой механики и общей теории относительности.
Поскольку атомы обладают массой и чувствительны к гравитации, импульсно-запутанные состояния могут использоваться для исследования того, как гравитационное поле влияет на квантовые корреляции.
Исследование гравитационно-индуцированной декогеренции. Некоторые теоретические модели предсказывают, что гравитация может вызывать декогеренцию квантовых состояний. Запутанные массивные частицы представляют идеальную платформу для тестирования этих моделей.
Эксперимент открывает новые возможности для проверки теоретических моделей, пытающихся объединить квантовую механику и общую теорию относительность, таких как модели гравитационного коллапса или квантовые теории гравитации.
Представленное исследование знаменует собой важную веху в экспериментальной квантовой физике. Впервые продемонстрировав корреляции Белла в импульсных состояниях массивных частиц. Эта работа не только расширяет наши фундаментальные представления о квантовой нелокальности, но и открывает практические пути для изучения одного из самых глубоких нерешенных вопросов современной физики — объединения квантовой механики и общей теории относительности.
Эксперимент подтверждает, что “жуткое дальнодействие”, предсказанное квантовой механикой, проявляется не только для безмассовых фотонов или внутренних степеней свободы, но и для движения массивных частиц в пространстве. Этот результат укрепляет уверенность в правильности квантово-механического описания природы на микроуровне и прокладывает путь к новому классу экспериментов, направленных на изучение границы между квантовым миром и гравитацией.
Значимость открытия выходит за рамки чисто академического интереса, предлагая потенциальные приложения в квантовой метрологии, сенсорике и фундаментальных тестах физических теорий. Дальнейшее развитие этого направления исследований может привести к пересмотру нашего понимания пространства, времени и материи на самом фундаментальном уровне.
