Упрощённая схема опыта. Пунктиром показаны различные гравитационные квантовые состояния нейтронов, находящихся в поле силы тяжести Земли (иллюстрация Technische Universität Wien).

Европейцы проявили квантовые эффекты гравитации на субатомном уровне. Учёные сумели произвольно перебрасывать нейтроны между гравитационными квантовыми состояниями, одновременно измеряя параметры этих переходов.

Удивительный эксперимент провели физики-ядерщики из института Лауэ-Ланжевена в Гренобле (Institut Laue-Langevin) и Венского технологического университета (TU Wien). Они получили в реакторе нейтроны и замедлили их до очень малой скорости (всего около пяти метров в секунду). Далее учёные направили эти нейтроны между двумя горизонтальными пластинами, разделёнными зазором в 25 микрометров. При этом верхняя пластина поглощала нейтроны, а нижняя — отражала их.

Между пластин ультрахолодные нейтроны летели по баллистической кривой, определяемой только силой тяжести и начальной скоростью частицы. Как объясняет BBC, если нейтрон падал на нижнюю пластину, он отскакивал от неё в пластину верхнюю, поглощался и не фиксировался датчиком, размещённым на выходе пластин.

Для дальнейшего «фокуса» нижнее зеркало выполнили вибрирующим, добавив к нему пьезорезонатор. Колебания этой пластины могли сообщать ударяющимся нейтронам дополнительную энергию, а потому — влиять на траекторию. При плавном изменении частоты колебаний зеркала физики наблюдали несколько чётких провалов в числе нейтронов, фиксируемых за пределами пластин.

Так обнаружились хорошо разнесённые резонансные частоты, на которых частицы были склонны поглощать энергию. Учёные интерпретировали эти частоты как гравитационные квантовые состояния нейтронов, находящихся в земном гравитационном поле. Переход между ними требовал строго фиксированной энергии, пропорциональной разнице между частотами.

Новый метод измерения получил название «гравитационная резонансная спектроскопия». Она оказалась столь чувствительной, что с её помощью группа физиков намерена проверить несколько предполагаемых сверхслабых эффектов в области гравитации.

В частности, в дальнейших экспериментах команда желает выявить — действует ли на субатомном масштабе равенство гравитационной и инертной масс. Также представляет интерес проверка закона всемирного тяготения Ньютона для столь малых тел, какими являются нейтроны.

Если с помощью новой техники учёные обнаружат в микромире какие-то отклонения от известных законов, это повлечёт за собой серьёзные последствия. Например, в опытах с ультрахолодными нейтронами могут проявиться дополнительные пространственные измерения, в которых действует гравитация. Это обрадует сторонников теории струн.

Также в наборе данных, описывающих нейтроны, скачущие с одного гравитационного квантового уровня на другой, физики мечтают найти следы гипотетических аксионов. Это, в свою очередь, пролило бы свет на природу тёмной материи.

Ранее опыты с гравитацией на микроуровне с такой точностью измерений не были доступны учёным. Потому новый эксперимент — важный шаг на пути к теории квантовой гравитации и «теории всего» (TOE).

(Детали опыта изложены в 
статье в Nature Physics и пресс-релизах института и университета.)