Zjawiska kwantowe są pełne paradoksów. Jednym z nich jest to, że cząstki zachowują się, jakby działała na nie siła, podczas gdy żadna nie działała – a jedynie mogłaby zadziałać.

Efekt Aharonova-Bohma występuje w przypadku pól elektromagnetycznych

Wyobraźmy sobie magnes o kształcie pączka z dziurką (czyli toroidalny). Owinięty jest tak, by pole magnetyczne nie wydostawało się na zewnątrz magnesu. Jeśli wystrzelimy elektron przez dziurę, poczuje on „kopnięcie” pola magnetycznego, chociaż żadne pole na zewnątrz magnesu się nie wydostaje.

Podobny eksperyment można przeprowadzić z cienką cewką elektromagnetyczną, z której nie wydostaje się pole magnetyczne. Elektrony przelatujące obok niej odchylą się (w zależności od kierunku przepływu prądu) w lewo lub prawo.

Cząstki „czują” w jakiś sposób pole – którego akurat tam, gdzie przelatują, nie ma. Efekt ten przewidzieli Werner Ehrenberg i Raymond E. Siday już w 1949 roku. Dziesięć lat później niezależnie od nich także Yakir Aharonov i David Bohm, od których zjawisko nosi nazwę. Paradoks ten wykazał, że siły występujące w klasycznej mechanice Newtona nie są kompletnym opisem kwantowej rzeczywistości.

Cząstki reagują nie tylko na to, co jest, ale też na to, co mogłoby być

Obliczając trajektorię cząstki trzeba wyliczyć także możliwą wartość pola, tam gdzie go nie ma (a więc nie ma żadnej siły), ale może wystąpić. Ta możliwa wartość, czyli potencjał pola, od początku występowała w równaniach opisujących świat kwantów.

Niektórych fizyków to bulwersowało. „Potencjał nie ma znaczenia fizycznego” – mawiali. Coś, co jest potencjalne, może się zdarzyć, ale przecież nie istnieje. Cząstki nie mogą reagować na coś, czego nie ma.

Eksperyment wykazał, że jednak mogą. W 1986 roku badacze z laboratoriów Hitachi doświadczalnie wykazali, że efekt Aharonova-Bohma istnieje. Fizycy już na długo przedtem poradzili sobie zaś z tym kwantowym paradoksem, obliczając trajektorie cząstek za pomocą mechaniki Lagrange’a, która uwzględnia właśnie potencjały.

Uczeni wykazali, że efekt Aharonova-Bohma dotyczy też grawitacji

Teraz fizycy wykazali, że efekt Aharonova-Bohma nie ogranicza się do pola elektromagnetycznego. Tak samo reagują cząstki na nieistniejące, ale możliwe pole grawitacyjne. Dla cząstek liczy się potencjał grawitacyjny, a nie sama siła ciążenia.

Fizycy ze Stanford University sprawdzili to, wpuszczając atomy rubidu do wysokiej na 10 metrów komory próżniowej i dokładnie śledząc trajektorie ich spadania. Eksperyment powtórzono, umieszczając na wierzchołku wieży wykonany z 1,25 kilograma wolframu odważnik. Potem wypuszczono dwie chmury atomów rubidu. Jedna była bliżej odważnika, druga niżej. Obie były oddalone od siebie o 25 centymetrów.

Cząstki „czują” pole grawitacyjne, nawet gdy jest ono tylko potencjalne

Cząstki powinny spadać inaczej, gdy – nawet niezwykle słabo – przyciąga je od góry masa. Różnica powinna być widoczna także między trajektoriami cząstek położonych bliżej masy wolframu niż dalej. Stąd dwie chmury atomów w drugim eksperymencie.

Tu wykorzystano inne kwantowe zjawisko. Chodzi o to, że w świecie kwantów każda cząstka jest także falą. Badacze rejestrowali dokładnie, w jaki sposób fale te się nakładają, czyli ich interferencje.

Pomiary wykazały, że nawet gdy odejmie się wpływ masy wolframu na przyspieszenie cząstek, odczuwają one (niezwykle słabe) spowolnienie upływu czasu.

Takie zjawisko przewidziane jest przez teorię względności, która zakłada, że każda masa spowalnia upływ czasu. Cząstki czują więc potencjał każdego pola, także grawitacyjnego.

Stała grawitacji jest jedną z najmniej dokładnie zmierzonych stałych fizycznych

Czy ten eksperyment ma jakieś praktyczne znaczenie? Tak, ponieważ pozwoli fizykom wyznaczyć dokładniej wartość stałej grawitacyjnej, zwanej też stałą Newtona.

 

Jest ona szczególnie trudna do zmierzenia, bowiem – w porównaniu z innymi siłami fizycznymi – grawitacja jest niezwykle słaba. Najdokładniejsze eksperymenty dotychczas przeprowadzone pozwoliły zmierzyć ją z dokładnością do 20 części na milion. Eksperymenty wykorzystujące efekt Aharonova-Bohma pozwolą ją zmierzyć znacznie dokładniej.

Dokładny pomiar stałej grawitacyjnej może z kolei pomóc w poszukiwaniach ciemnej materii. Być może pozwoli nam też stwierdzić, czy istnieje ciemna energia. Dzięki takim pomiarom można zweryfikować teorie, w których żadnej ciemnej materii nie ma. Zakładają one, że na wielkich kosmicznych odległościach grawitacja działa nieco słabiej niż wynika to z obecnych modeli.

Źródła: Science, Physical Review Letters.