یک تیم بینالمللی شامل پروفسور سر راجر پنروز، فیزیکدان برجسته و برنده جایزه نوبل، برای نخستین بار موفق شد اثری گرانشی را که از دیرباز پیشبینی شده بود، در یک جسم کوانتومی در حال سقوط بهطور مستقیم مشاهده کند. این یافته نشان میدهد که یک اصل محوری در نظریه گرانش اینشتین، تحت شرایط آزمایششده، همچنان با رفتارهای کوانتومی همخوانی دارد. این پژوهش که به رهبری دانشگاه بنگوریون، دانشگاه اولم و دانشگاه آکسفورد به انجام رسیده، در تاریخ ۲ سپتامبر در مجله ساینس ادونسز (Science Advances) منتشر شده است.
فیزیک نوین بر دو چارچوب نظری فوقالعاده موفق استوار است: مکانیک کوانتومی که رفتار غیرعادی اتمها و دیگر ذرات بینهایت ریز را توصیف میکند، و نظریه گرانش اینشتین که اجسام در حال سقوط و ساختار کیهان در مقیاس بزرگ را توضیح میدهد. با وجود موفقیت چشمگیر هر یک از این دو نظریه بهتنهایی، فیزیکدانان هنوز به نظریهای جامع که این دو را با یکدیگر پیوند دهد دست نیافتهاند.
این آزمایش نوین، حوزهای را بررسی میکند که این دو توصیف با یکدیگر همپوشانی دارند. پژوهشگران تغییر مشخصی را در ویژگیهای کوانتومی اتمها هنگام حرکت تحت تأثیر گرانش اندازهگیری کردند. اثر مشاهدهشده دقیقاً با پیشبینی حاصل از تعمیم اصل همارزی اینشتین (یکی از پایههای نظریه گرانش او) به یک شیء کوانتومی مطابقت داشت.
آزمودن اصل همارزی اینشتین
اصل همارزی بیان میکند که گرانش برای ناظری که در حالت سقوط آزاد قرار دارد، باید بهطور موضعی محو شود؛ برای نمونه، فردی که درون یک آسانسور در حال سقوط آزاد است، بیوزنی را تجربه میکند. این اصل با دقت فوقالعادهای روی ماده معمولی تأیید شده است، اما آزمودن مستقیم آن با اشیای کوانتومی بسیار دشوارتر بوده است؛ زیرا این اجسام میتوانند مانند امواج رفتار کنند و همزمان بیش از یک مسیر را بپیمایند.
تیم پژوهشی برای ممکن ساختن چنین آزمایشی، ابزاری موسوم به تداخلسنج کوانتومی گالیله (Quantum Galileo Interferometer) ساختند. این دستگاه به محققان امکان داد تا موج کوانتومی متعلق به یک اتم را به دو مسیر مجزا تفکیک کنند؛ به طوری که یک بخش در جای خود ثابت نگه داشته شد و به بخش دیگر اجازه سقوط آزاد داده شد. سپس این دو بخش دوباره به یکدیگر پیوستند تا پژوهشگران بتوانند چگونگی تأثیر گرانش بر موج در حال سقوط را بسنجند.
این آزمایش در دانشگاه بنگوریون و با استفاده از ابرهایی از اتمهای روبیدیم انجام شد که تا دمایی اندکی بالاتر از صفر مطلق سرد شده بودند. این اتمها در نزدیکی سطح یک تراشه اتمی که با طراحی ویژه ساخته شده بود، کنترل و هدایت شدند.
تفکیک یک اتم به دو مسیر کوانتومی
تیم آزمایشگاهی، از جمله اور دوبکوفسکی دانشجوی دکتری، ابتدا با استفاده از پالسهای مایکروویو، اتمهای فوقسرد را در حالت برهمنهی کوانتومی (Quantum superposition) قرار دادند. این کار عملاً به هر اتم اجازه داد تا همزمان دو مسیر را طی کند.
سپس سیمهای الکتریکی بسیار ظریف تعبیهشده در تراشه، میدانهای مغناطیسی با دقت بالا تولید کردند. بخشی از موج اتمی با این میدان مغناطیسی برهمکنش داشت و به محققان اجازه داد نیرویی رو به بالا ایجاد کنند که نیروی رو به پایین گرانش را با دقت خنثی میکرد. در نتیجه، آن بخش از موج نسبت به آزمایشگاه و زمین ساکن باقی ماند.
بخش دیگر با استفاده از یک پالس مغناطیسی دقیق به سمت بالا رانده شد. سپس این بخش به حالتی تغییر یافت که تقریباً تحت تأثیر میدان مغناطیسی قرار نمیگرفت و اجازه یافت آزادانه تحت تأثیر گرانش حرکت کند و مسیری پرتابهای، شبیه به توپی که به هوا پرتاب شده است، بپیماید.
پس از پایان حرکت سقوط، پالس مغناطیسی کنترلشده دیگری دو بخش موج اتمی را بار دیگر به هم رساند. امواج بههمپیوسته با یکدیگر تداخل کردند و به محققان امکان دادند اختلاف فاز کوانتومی فوقالعاده ناچیزی را که در حین سقوط یک بخش و ساکن ماندن بخش دیگر ایجاد شده بود، اندازهگیری کنند.
گرانش ردپایی کوانتومی و قابل اندازهگیری بر جای میگذارد
فاز کوانتومی اندازهگیریشده توسط محققان، با فازی که از اعمال اصل اینشتین به این نوع موج کوانتومی پیشبینی میشد، همخوانی داشت. بنابراین، این آزمایش یک ارتباط آزمایشگاهی مستقیم میان فیزیک کوانتوم و توصیف اینشتین از گرانش برقرار میکند.
پیشتر نیز از ذرات کوانتومی در آزمایشها برای اندازهگیری گرانش استفاده شده بود، اما پژوهشگران تأکید میکنند که این نخستین اندازهگیری مستقیم از فاز کوانتومیِ پیشبینیشده برای یک شیء در حال سقوط آزاد است.
پروفسور ران فولمن، سرپرست پژوهش از دانشگاه بنگوریون، اظهار داشت:
این مقاله منحصربهفرد است، زیرا آزمایشی دشوار را با تفسیری نظری و بنیادین پیرامون یکی از اساسیترین پرسشهای فیزیک پیوند میزند: اینکه چگونه میتوان گرانش (توصیفشده در نظریه نسبیت اینشتین) و نظریه کوانتوم را در قالب یک درک واحد از کیهان یکپارچه کرد؟ این دو ستون فیزیک نوین تا کنون از تمامی تلاشها برای ایجاد یک چارچوب نظری واحد گریختهاند، اما این آزمایش پیچیده سرنخهای بیشتری درباره چگونگی دستیابی به چنین یکپارچگی ارائه میدهد.
پروفسور ولاتکو ودرال، از نویسندگان همکار این مطالعه از دانشکده فیزیک دانشگاه آکسفورد، افزود:
ما هیچ نظریه منسجمی نداریم که توضیح دهد چرا فیزیک کوانتوم باید با شکست مواجه شود. این آزمایش مکانیک کوانتومی را به یکی از جذابترین مرزهایش یعنی گرانش هدایت میکند و نشان میدهد که پیشبینیهای آن بار دیگر به اثبات رسیدهاند.
آنچه این آزمایش اثبات میکند و آنچه نشان نمیدهد
این یافته نظریهای یکپارچه از مکانیک کوانتومی و گرانش ارائه نمیدهد و نشاندهنده آن نیست که خود گرانش لزوماً پدیدهای کوانتومی است؛ بلکه نشان میدهد اصل همارزی اینشتین در محدوده بررسیشده در این آزمایش، با مکانیک کوانتومی سازگار باقی میماند.
این نتایج همچنین فرضیه مطرحشده توسط پروفسور سر راجر پنروز از دانشگاه آکسفورد را رد نمیکند. پنروز استدلال کرده است که مکانیک کوانتومی ممکن است در صورت باقی ماندن اجسام به اندازه کافی سنگین در حالت برهمنهی کوانتومی برای مدت زمانی طولانی، در نهایت نقض شود.
آزمایش حاضر شامل اجسامی به اندازه کافی سنگین یا برهمنهیهایی با طول مدت لازم برای سنجش این فرضیه نبوده است. با این حال، پژوهشگران امیدوارند این تکنیک نوین در نهایت به اجسام بسیار سنگینتر، از جمله نانوالماسها، گسترش یابد. آزمایشهایی با هدف بررسی این امکان هماکنون توسط همین گروه در دانشگاه بنگوریون در جریان است.
این تیم تحقیقاتی بینالمللی شامل دانشمندانی از دانشگاه بنگوریون، دانشگاه آکسفورد، دانشگاه ساوتهمپتون، مرکز هوافضای آلمان (مؤسسه فناوریهای کوانتومی در اولم)، دانشگاه اولم و دانشگاه تگزاس اِیانداِم بود.