هل الجاذبية كمية؟ تجربة جديدة لسبر أعمق أسرار الكون

• يطور العلماء تجربة لاختبار ما إذا كانت الجاذبية كمية أم لا
• في ميكانيكا الكم، التي تصف سلوك الذرات والجزيئات، تتصرف الأشياء بشكل مختلف عن أي شيء نعرفه: يمكن أن تكون في حالة تراكب كمي، أو أن تكون في مكانين في نفس الوقت.
• الآن، يبحث العلماء عن طريقة لتحديد ما إذا كانت الجاذبية تعمل بهذه الطريقة، عن طريق رفع الماسات الدقيقة في الفراغ.
• إذا كانت الجاذبية كمية، فإنها سوف “تتشابك” مع الماس – وهي ظاهرة مثيرة للاهتمام تربط جسمين بقوة بطريقة غير ممكنة في الحياة اليومية.
• سيساهم هذا البحث في فهم أفضل للثقوب السوداء الانفجار العظيموالكون

تجربة الجاذبية الكمومية

يقوم العلماء بتطوير تجربة لاختبار ما إذا كانت الجاذبية كمية أم لا، وهو أحد أعمق الأسئلة حول كوننا.

النسبية العامة وميكانيكا الكم هما الوصفان الأساسيان للطبيعة المتاحان لنا. تشرح النسبية العامة الجاذبية على نطاق واسع بينما تشرح ميكانيكا الكم سلوك الذرات والجزيئات.

التحدي المتمثل في توحيد النظريات

ولعل المشكلة الأكثر أهمية التي لم يتم حلها في الفيزياء الأساسية هي الطريقة الصحيحة للجمع بين هاتين النظريتين – لتحديد ما إذا كانت الجاذبية تعمل على المستوى الكمي. على الرغم من أن العمل النظري قد اقترح العديد من الاحتمالات، إلا أن هناك حاجة إلى تجارب لفهم سلوك الجاذبية بشكل كامل.

يستكشف شعاع الليزر في مختبر جافين مورلي الخصائص الكمومية للماس. الائتمان: جافين مورلي

تجربة رائدة من الاتحاد العالمي

لمائة عام، بدت التجارب على الطبيعة الكمومية للجاذبية بعيدة المنال، ولكن الآن سيعمل العلماء المقيمون في جامعات وارويك، وكلية لندن الجامعية، وييل (الولايات المتحدة)، ونورث وسترن (الولايات المتحدة)، وجروننجن (هولندا) معًا للتحقيق في هذا اللغز. . .

فكرتهم الجديدة هي رفع اثنين من الماسات الدقيقة في الفراغ ووضع كل منهما في تراكب كمي يتكون من وجودهما في مكانين في نفس الوقت. هذا السلوك غير البديهي هو سمة أساسية لميكانيكا الكم.

وجهة نظر البروفيسور مورلي في التجربة

يمكن اعتبار كل ماسة بمثابة نسخة أصغر من قطة شرودنغر. الباحث الرئيسي البروفيسور جافين مورلي، قسم الفيزياء، جامعة وارويكيشرح: “قطة شرودنغر هي تجربة فكرية توضح أنه سيكون من الغريب حقًا أن يتم العثور على الأشياء اليومية (والحيوانات الأليفة!) في تراكب كمي، أي العثور على بعضها البعض في مكانين في وقت واحد. نريد اختبار حدود هذه الفكرة.

“لقد تم وضع الذرات والجزيئات بنجاح في حالة التراكب هذه، لكننا نريد أن نفعل ذلك مع أجسام أكبر بكثير. يتكون الماس لدينا من مليار ذرة أو أكثر. ولاختبار الطبيعة الكمومية للجاذبية، سنبحث عن تفاعلات بين اثنين من هذه الماسات بسبب الجاذبية.

“إذا كانت الجاذبية كمية، فإنها ستكون قادرة على تشابك الماستين. التشابك هو تأثير كمي فريد يرتبط فيه شيئين بقوة أكبر مما هو ممكن في حياتنا اليومية. على سبيل المثال، إذا كان من الممكن تشابك عملتين معدنيتين، فقد تجد أنه في كل مرة ترميهما، تهبط كلتاهما في نفس الاتجاه، على الرغم من أنه من المستحيل معرفة ما إذا كانت جميعها ذات وجهين أو ذيلين.

التحديات والتداعيات

لا تزال هناك العديد من التحديات التي تنتظرنا لجعل هذه الفكرة حقيقة، والتي سوف يستكشفها الفريق خلال المشروع. “على سبيل المثال، نحن بحاجة إلى القضاء على جميع التفاعلات بين الجسيمات النانوية بخلاف الجاذبية، وهو أمر صعب للغاية لأن الجاذبية ضعيفة للغاية،” يقول الدكتور ديفيد مور، من جامعة ييل.

وأضاف البروفيسور مورلي، المدير المؤسس لـ Warwick Quantum، وهي مبادرة بحثية جديدة متعددة التخصصات في تكنولوجيا الكم: “بالنسبة لي، أهم مشكلة في الفيزياء في الوقت الحالي هي تطوير تجربة قادرة على اختبار طبيعة الجاذبية الكمومية. يعد هذا المشروع الجديد بمثابة تسريع في رحلتنا المثيرة نحو هذا الهدف.

آراء العلماء المتعاونين

علق البروفيسور سوجاتو بوز، من كلية لندن الجامعية: “من الصعب المبالغة في تقدير مدى أهمية أن يكون لدى الفيزيائيين تجارب قادرة على استكشاف الطريقة الصحيحة للجمع بين ميكانيكا الكم والنسبية العامة. عادةً ما يركز الأشخاص الذين يعملون على نظريات الجاذبية الكمومية، مثل نظرية الأوتار، على ما يحدث عند الطاقات العالية، وبالقرب من الثقوب السوداء، وعند الانفجار الكبير.

“على النقيض من ذلك، فإن عملنا يتم في نظام منخفض الطاقة هنا على الأرض، ولكنه سيوفر أيضًا رؤى لا تقدر بثمن حول لو الجاذبية هي الكم. علاوة على ذلك، يمكن اعتبار التجربة بمثابة التحقق من التنبؤ العام لأي نظرية كمومية للجاذبية عند الطاقات المنخفضة.

ويضيف البروفيسور أنوبام مازومدار، من جامعة جرونينجن: “لفهم الطبيعة الكمومية للجاذبية، قد نتمكن من اختبار جوانب أخرى من الفيزياء الأساسية، مثل الانحرافات الغريبة عن الجاذبية النيوتونية على مسافات قصيرة”. »

يقول أندرو جيراسي، أستاذ مشارك في الفيزياء: “إنها تجربة صعبة، وهذا المشروع رائد في معالجة بعض التحديات التقنية الرئيسية لجعل هذه الاختبارات للجوانب الكمومية للجاذبية حقيقة واقعة”. جامعة نورث وسترن.

يُطلق على المشروع اسم “MAST-QG: التراكبات العيانية لملاحظة الطبيعة الكمومية للجاذبية”.