مشاهده باورنکردنی نظریه نسبیت در دنیای عجیب ذرات کوانتومی!
فیزیکدانان برای نخستین بار اصل برابری اینشتین را روی یک موج کوانتومی در حال سقوط آزاد مشاهده کردند که گامی مهم در مسیر پیوند دادن نسبیت عام با مکانیک کوانتوم به شمار میرود.
فرارو- تقابل تاریخی میان دو ستون استوار فیزیک مدرن، یعنی نظریه نسبیت عام اینشتین و مکانیک کوانتومی، سرانجام در یک آزمایش تجربیِ کمسابقه بر روی اتمهای روبیدیم به نقطه تلاقی نوینی رسیده است که میتواند مسیر تدوین «نظریه همهچیز» را هموارتر سازد.
به گزارش فرارو به نقل از اسپیس، دانشمندان موفق شدهاند برای نخستین بار نشانههای روشنی از عملکرد فرمولبندی گرانشی آلبرت اینشتین در قلمرو ذرات کوانتومی را مشاهده کنند. این سرنخها حاصل مشاهدات و سنجشهای آزمایشگاهی روی یک شیء کوانتومی در حال سقوط آزاد است.
اگرچه در نگاه نخست تمرکز روی جابهجایی چند اتم شاید رویدادی غولآسا به نظر نرسد، اما از منظر تئوریک، گامی بنیادین در امتداد جادهای طولانی محسوب میشود که دانشمندان امیدوارند سرانجام به تدوین «نظریه همهچیز» منتهی شود.
تقابل تاریخی نسبیت عام و مکانیک کوانتومی
برای درک اهمیت بنیادین این دستاورد، بازگشت به نخستین سالهای قرن بیستم ضرورت دارد؛ دورانی که دو نظریه جریانساز پایههای علم معاصر را دگرگون کردند: نظریه شناخته شده گرانش اینشتین یعنی «نسبیت عام» و در سوی دیگر، جهان گریزان و ضدشهودی «مکانیک کوانتومی».
نسبیت عام کیهان را در ابعاد فوقالعاده بزرگ توصیف میکند؛ از چرخش سیارات و تحول ستارگان گرفته تا میدانهای کششی سیاهچالهها و حتی سازوکار شکلگیری کهکشانها و خوشههای عظیم کیهانی. در نقطه مقابل، فیزیک کوانتوم بر قوانین حاکم بر مقیاسهای بسیار کوچکتر از اتم و ذرات بنیادی نظارت دارد. اما گره اصلی کار در اینجاست: این دو نظریه درخشان زبان مشترکی برای سخن گفتن با یکدیگر ندارند و معادلات ریاضی آنها در نقاط تلاقی به بنبست و تناقض منجر میشود.
تاکنون هیچ نظریه قطعی و اثباتشدهای برای پدیده «گرانش کوانتومی» به ثبت نرسیده است. با این حال، پژوهشگران بر این باورند که اکنون فاصله ما با درک این پیوند کمتر از هر زمان دیگری شده است. تیمی بینالمللی از دانشمندان آزمایشی طراحی کردند تا نقطه پیوند مکانیک کوانتومی و نسبیت عام را کشف کنند؛ یعنی بررسی این مسئله که ویژگیهای کوانتومی اتمها هنگام سقوط تحت تأثیر نیروی گرانش زمین، با چه دگرگونیهایی روبهرو میشود.
پروفسور ران فولمن، سرپرست تیم پژوهشی از دانشگاه بنگوریون در صحرای نگب، در بیانیهای رسمی تأکید کرد: «این مقاله یک دستاورد منحصربهفرد است، زیرا آزمایشی تجربی و بسیار دشوار را با یک تفسیر نظری ژرف درباره بنیادینترین پرسشهای فیزیک پیوند میزند: اینکه چگونه میتوان گرانش، به عنوان توصیف انحنای هندسی اینشتین و نظریه کوانتومی را درون یک درک منسجم و همه جانبه از کائنات متحد کرد؟»
آسانسورهای خیالی و تجلی اصل برابری
سنگبنای پژوهش این گروه، یکی از ارکان محوری نظریه نسبیت عام موسوم به «اصل برابری» (Equivalence Principle) است. طبق این اصل، برای ناظری که در شرایط سقوط آزاد کامل قرار دارد، اثر نیروی جاذبه باید به طور محلی ناپدید شود.
اگر این توصیف در نگاه اول مبهم به نظر میرسد، تمثیل نامآشنای آسانسور را در ذهن بیاورید: تصور کنید درون یک کابین آسانسور کاملاً مسدود، بدون پنجره و جدا از محیط بیرون قرار گرفتهاید و احساس وزن میکنید. اگر توپی را از دست رها کنید، روی کف کابین میافتد. دو سناریوی کاملاً متفاوت اما غیرقابل تشخیص میتواند دلیل این واقعه باشد: یا آسانسور در طبقه همکف ساختمانی روی زمین ثابت مانده است یا کابین با شتابی دقیقاً معادل شتاب گرانش زمین یعنی ۹.۸ متر بر مجذور ثانیه به سمت بالا اوج میگیرد. ناظر درونی قادر به تشخیص تمایز فیزیکی میان گرانش و این شتاب نیست و این همان ماهیت اصل برابری است.
حال شرایط را دگرگون کنیم: ناگهان احساس سبکی و بیوزنی مطلق به شما دست میدهد و با رها کردن توپ، آن شیء در هوا شناور میماند. جاذبه ناپدید شده یا شتاب صعودی پایان یافته است. در این حالت نیز دو احتمال همارز مطرح است؛ ممکن است کابل آسانسور پاره شده و شما در حال سقوط آزاد باشید یا آسانسور در فضای بیکران کیهان پس از پایان شتابگیری معلق مانده باشد. چالش بزرگ فیزیکدانان این بود: این مفهوم کلاسیک را چگونه میتوان در مقیاسهای اتمی و برای ذراتی که همزمان رفتار موجی و ذرهای دارند، مورد آزمون قرار داد؟
تداخلسنج گالیله و ردیابی سقوط امواج کوانتومی
محققان برای ارزیابی اصل برابری در ابعاد میکروسکوپی، از دستگاهی بسیار پیشرفته به نام «تداخلسنج کوانتومی گالیله» استفاده کردند. این ابزار به گروه اجازه داد موج کوانتومی منتسب به یک اتم در حال حرکت را به دو مسیر متمایز تجزیه کنند: در مسیر نخست، اتم در موقعیت خود مهار شد، در حالی که در مسیر دوم، اتم امکان یافت آزادانه تحت گرانش سقوط کند. دانشمندان سپس دو مسیر موجی را بازترکیب کردند تا دگرگونیهای القا شده توسط جاذبه را ثبت نمایند.
آزمایش روی ابری از اتمهای عنصر روبیدیم به اجرا درآمد که دمای آنها تا کسری بالاتر از صفر مطلق کاهش یافته بود تا ارتعاشات حرارتی مزاحم مهار شوند. این ذرات در مجاورت سطح یک تراشه اتمی با طراحی ویژه مستقر شدند. فیزیکدانان به کمک پالسهای مایکروویو، اتمها را در وضعیت «برهمنهی کوانتومی» قرار دادند؛ رفتاری منحصربهفرد در فیزیک ذرات که به یک سامانه کوانتومی اجازه میدهد همزمان در دو یا چند حالت متناقض زیست کند. در این وضعیت، برهمنهی سبب شد هر اتم در آنِ واحد در طول دو مسیر متفاوت به جلو حرکت کند.
میدانهای مغناطیسی تراشه اتمی در یک مسیر کششی رو به بالا وارد آوردند که کشش رو به پایین گرانش را خنثی ساخته و ذره را معلق نگه میداشت. در مسیر دیگر، پالسهای مغناطیسی ابتدا اتمها را به سمت بالا پرتاب کردند و سپس خاموش شدند؛ بنابراین اتمها همانند توپی که به هوا پرتاب شده باشد، در سقوط آزاد قرار گرفتند. هنگامی که این دو موج به هم پیوستند، محققان با استفاده از پدیده «تداخل» تغییرات ایجادشده در فاز موج در حال سقوط را اندازهگیری کردند. این موفقیت نخستین ثبت تجربی از تأثیر همزمان گرانش و سقوط آزاد بر فاز یک موج کوانتومی را رقم زد.
افقهای پیش رو در درک تاروپود کیهان
اگرچه این آزمایش اثباتی تجربی و درخشان از درستی اصل برابری اینشتین در گستره فیزیک زیراتمی است، اما به معنای اثبات نهایی و کامل نظریه گرانش کوانتومی نیست. با این همه، گامی رو به جلو در مسیری دشوار است که دانشمندان بیش از یک قرن در آن گام برداشتهاند.
پروفسور ولاتکو ودرال، از محققان همکار در این پروژه، در بیانیهای خاطرنشان کرد: «هیچ چارچوب تئوریک منسجمی وجود ندارد که توجیه کند چرا مکانیک کوانتومی باید در رویارویی با گرانش از کار بیفتد. این آزمایش، مکانیک کوانتومی را به یکی از دستنخوردهترین مرزهایش وارد کرد و اثبات نمود پیشبینیهای نظری آن همچنان استوار و پابرجا باقی مانده است.» به این ترتیب، ثبت این پدیده تجربی مسیرهای تازهای برای بازتعریف قوانین طبیعت و نزدیکتر شدن به یکپارچگی علم فیزیک باز کرده است.
