هل الجاذبية كمية؟ تجربة جديدة لسبر أغوار الكون الأعمق

• يقوم العلماء بتطوير تجربة لاختبار ما إذا كانت الجاذبية كمية أم لا
• في ميكانيكا الكم، التي تصف سلوك الذرات والجزيئات، تتصرف الأشياء بشكل مختلف عن كل ما نعرفه: يمكن أن تكون في حالة تراكب كمي بحيث تكون في مكانين في نفس الوقت.
• والآن، يبحث العلماء عن طريقة لتحديد ما إذا كانت الجاذبية تعمل بهذه الطريقة، وذلك عن طريق رفع قطع الماس الصغيرة في الفراغ
• إذا كانت الجاذبية كمية، فسوف “تشابك” الماس – وهي ظاهرة مثيرة للاهتمام تربط بين جسمين بقوة بطرق مستحيلة في الحياة اليومية
• سيساعد هذا البحث في فهم الثقوب السوداء الانفجار العظيم، والكون

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 لدينا. تشرح النسبية العامة الجاذبية على المقاييس الكبيرة بينما تشرح ميكانيكا الكم سلوك الذرات والجزيئات.

تحدي توحيد النظريات

يمكن القول إن 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. في حين أن العمل النظري اقترح العديد من الاحتمالات، إلا أن هناك حاجة إلى تجارب لفهم سلوك الجاذبية بشكل كامل.

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

تجربة ثورية من قبل الكونسورتيوم العالمي

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

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

رؤية البروفيسور مورلي للتجربة

يمكن اعتبار كل ماسة بمثابة نسخة أصغر من قطة شرودنغر. الباحث الرئيسي البروفيسور جافين مورلي، قسم الفيزياء، جامعة وارويكيشرح: “قطة شرودنغر هي تجربة فكرية تشير إلى أنه سيكون من الغريب حقًا أن تكون الأشياء اليومية (والحيوانات الأليفة!) في حالة تراكب كمي لوجودها 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 بأشياء أكبر بكثير. يتكون الماس لدينا من مليار ذرة أو أكثر. لاختبار الطبيعة الكمومية للجاذبية، يجب أن نبحث عن التفاعلات بين اثنين من هذه الماسات بسبب الجاذبية.

“إذا كانت الجاذبية كمية، فإنها ستكون قادرة على تشابك الماستين. التشابك هو تأثير كمي فريد حيث يرتبط شيئين بقوة أكبر مما هو ممكن في حياتنا اليومية. على سبيل المثال، إذا كان من الممكن تشابك عملتين معدنيتين، فقد تجد أنه عندما تقلبهما، فإنهما يهبطان بنفس الطريقة حتى لو كان من المستحيل معرفة ما إذا كانا سيكونان على حد سواء وجهًا أو ذيلًا.

التحديات والتداعيات

ولا تزال هناك العديد من التحديات التي تحول دون تحقيق هذه الفكرة، والتي سيقوم الفريق بالتحقيق فيها 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، وهو المدير المؤسس لـ Warwick Quantum، وهي مبادرة جديدة متعددة التخصصات لأبحاث تكنولوجيا الكم: “بالنسبة لي، المشكلة الأكثر أهمية في الفيزياء الآن هي تطوير تجربة يمكنها اختبار الطبيعة الكمومية للجاذبية. يعد هذا المشروع الجديد بمثابة تسريع في رحلتنا المثيرة نحو ذلك.

وجهات نظر من العلماء المتعاونين

وعلق البروفيسور سوجاتو بوز، من كلية لندن الجامعية، قائلًا: “من الصعب المبالغة في تقدير مدى أهمية إجراء تجارب للفيزيائيين يمكنها اكتشاف 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 الطاقة المنخفضة هنا على الأرض، ولكنه سيوفر أيضًا معلومات لا تقدر بثمن حول سواء الجاذبية هي الكم. كما يمكن اعتبار التجربة بمثابة التحقق من التنبؤ العام لأي نظرية كمومية للجاذبية عند الطاقات المنخفضة.

ويضيف البروفيسور أنوبام مازومدار، من جامعة جرونينجن: “في الطريق إلى فهم الطبيعة الكمومية للجاذبية، قد نتمكن من اختبار جوانب أخرى من الفيزياء الأساسية مثل الانحرافات الغريبة عن الجاذبية النيوتونية كمسافات قصيرة”.

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

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