นักฟิสิกส์ทดลองวัดผลของการตกอิสระต่อสถานะคลื่นของอะตอมเดี่ยว

นักฟิสิกส์นานาชาติที่นำโดยรอน โฟลแมน จากมหาวิทยาลัย Ben-Gurion of the Negev รายงานความก้าวหน้าสำคัญในการทดสอบคำทำนายเก่าแก่เกือบศตวรรษเกี่ยวกับการตกอิสระของวัตถุควอนตัม โดยคำถามหลักคือ เมื่ออะตอมซึ่งในกลศาสตร์ควอนตัมมีลักษณะเป็น “คลื่น” ถูกปล่อยให้ตกอิสระ จะเกิดอะไรขึ้นกับเฟสของคลื่นนั้น หากผลการคำนวณดั้งเดิมผิดจริง ก็หมายความว่ากลศาสตร์ควอนตัมกับทฤษฎีสัมพัทธภาพ/แรงโน้มถ่วงของไอน์สไตน์อาจขัดแย้งกันโดยตรง

ปัญหาสำคัญที่ผ่านมาไม่ใช่การตั้งสมมติฐาน แต่คือการทดลอง เพราะไม่มีใครสร้างอินเตอร์เฟอโรมิเตอร์ที่ละเอียดพอจะเปรียบเทียบการเปลี่ยนเฟสของอะตอมเมื่อมันอยู่ในสองสภาพที่ต่างกันสุดขั้วได้ ทีมวิจัยจึงพัฒนาเครื่องมือใหม่ที่แบ่งเส้นทางของอะตอมเดี่ยวออกเป็นสองทางพร้อมกัน ทางหนึ่งปล่อยให้ตกอิสระ อีกทางหนึ่งตรึงให้อยู่นิ่ง จากนั้นทำให้ทั้งสองเส้นทางมาบรรจบกันที่ตำแหน่งเดียวกันในเวลาเดียวกัน เพื่อวัดผลของแรงโน้มถ่วงต่อคุณสมบัติคลื่นของอะตอมโดยตรง

แนวคิดนี้ต่อยอดจากความเข้าใจเรื่องการเคลื่อนที่ของวัตถุตั้งแต่ยุคกาลิเลโอที่อธิบายการตกของวัตถุได้ในเชิงคลาสสิก แต่ในระดับควอนตัม ทุกอนุภาคยังมีสมบัติเป็นคลื่น และสิ่งที่นักฟิสิกส์ต้องการตรวจสอบคือ “เฟส” ซึ่งบอกตำแหน่งเชิงคลื่นว่ากำลังอยู่บนยอดหรือก้นคลื่น การตกอิสระอาจทำให้เฟสเปลี่ยนไปในรูปแบบที่คาดการณ์ไว้โดยทฤษฎี หรืออาจเผยข้อจำกัดใหม่ของการอธิบายระหว่างกลศาสตร์ควอนตัมกับแรงโน้มถ่วงก็ได้

แม้บทความที่เผยแพร่จะยังเป็นรายงานความก้าวหน้าเชิงทดลองมากกว่าผลสรุปสุดท้าย แต่ความสำคัญของงานนี้อยู่ที่การยกระดับการทดสอบจากการคำนวณเชิงทฤษฎีไปสู่การวัดจริง ซึ่งเป็นขั้นที่นักฟิสิกส์พยายามทำมานาน การมี Roger Penrose ร่วมเป็นหนึ่งในผู้ร่วมงานยิ่งสะท้อนว่างานนี้เชื่อมโยงกับคำถามพื้นฐานที่สุดของฟิสิกส์สมัยใหม่

หากการทดลองนี้ตรวจพบความคลาดเคลื่อนจากคำทำนายเดิมอย่างมีนัยสำคัญ อาจบังคับให้ต้องทบทวนความสัมพันธ์ระหว่างแรงโน้มถ่วงกับกลศาสตร์ควอนตัม แต่ถ้าผลออกมาตรงตามคาด ก็จะเป็นการยืนยันว่ากรอบทฤษฎีปัจจุบันยังใช้ได้ในระดับที่ละเอียดมากขึ้น และช่วยปูทางสู่การทดลองควอนตัมที่ซับซ้อนกว่าเดิมในอนาคต