یک پیشبینی صدساله سرانجام تأیید شد
فیزیکدانان با انجام یک آزمایش دقیق روی اتمهای فوقسرد، برای نخستینبار اثر کوانتومیِ سقوط آزاد را در شرایطی که یکی از مسیرها در حالت سکون نگه داشته میشود، اندازهگیری کردند؛ نتیجه آزمایش با پیشبینی نزدیک به یک قرن پیش مطابقت داشت.
به گزارش سیناپرس، پژوهشگران در آزمایشی کمسابقه، رفتار اتمها را در شرایط کوانتومی و تحت تأثیر گرانش بررسی کردند و شواهد مستقیمی به دست آوردند که نشان میدهد مکانیک کوانتومی و نظریه گرانش اینشتین، دستکم در این مقیاس و در این آزمایش، با یکدیگر سازگار هستند.
این پژوهش به سرپرستی رون فولمن از دانشگاه بنگوریون نقب و با همکاری ولاتکو ودرال از دانشگاه آکسفورد انجام شده است. نتایج آن در نشریه Science Advances منتشر شده است.
آزمایشی برای بررسی یکی از قدیمیترین ایدههای اینشتین
یکی از چالشهای مهم فیزیک مدرن، توضیح چگونگی سازگاری مکانیک کوانتومی ــ که رفتار اتمها و ذرات را توصیف میکند ــ با نسبیت عام اینشتین و نظریه گرانش است.مفهوم سقوط آزاد در مرکز این مسئله قرار دارد. گالیله قرنها پیش نشان داد که اجسام، صرفنظر از جرمشان، تحت شرایط یکسان با نرخ یکسان سقوط میکنند و این ایده بعدها در قالب اصل همارزی در نظریه گرانش اینشتین جای گرفت.
پژوهشگران دانشگاه بنگوریون نقب در اسرائیل، با همکاری دانشمندانی از آلمان، بریتانیا و آمریکا، دستگاهی موسوم به تداخلسنج کوانتومی گالیله ساختند تا این پدیده را در مقیاس کوانتومی بررسی کنند.
اتمهایی که همزمان در دو حالت قرار گرفتند
در این آزمایش، ابری متشکل از حدود ۲۰ هزار اتم روبیدیوم تا دمای بسیار پایین سرد شد و به حالت موسوم به چگالش بوز-اینشتین درآمد.سپس با اعمال یک پالس انرژی، اتمها وارد برهمنهی کوانتومی شدند؛ به این معنا که هر اتم در دو حالت یا مسیر مختلف قرار گرفت.در یکی از مسیرها، اتمها با استفاده از نیروی مغناطیسی در جای خود نگه داشته شدند تا اثر گرانش خنثی شود. در مسیر دیگر، اتمها برای مدتی به سمت بالا پرتاب و سپس در شرایط سقوط آزاد رها شدند.
پس از آن، پژوهشگران دو مسیر را با دقت بسیار زیاد دوباره به هم رساندند. حتی اختلاف بسیار کوچک در موقعیت یا سرعت میتوانست نتیجه را مخدوش کند. دوربین آزمایش نیز با اندازهگیری وضعیت اتمها، اثر کوانتومی ایجادشده میان دو مسیر را ثبت کرد.
نتیجه آزمایش با پیشبینی نزدیک به ۱۰۰ سال پیش مطابقت داشت
پژوهشگران آزمایش را در ۶۳۳ چرخه انجام دادند که هر چرخه حدود ۳۰ ثانیه طول کشید و مجموع زمان آزمایش به حدود ۵.۳ ساعت رسید.دادههای بهدستآمده حدود ۱۳ نوسان کامل را نشان داد و در مجموع حدود ۸۰ رادیان تغییر فاز کوانتومی ثبت شد. مقایسه نتایج با مدل نظری نشان داد که دادهها با پیشبینی قدیمی درباره رابطه میان فاز کوانتومی، جرم، شدت گرانش و مدت زمان سقوط مطابقت خوبی دارند.به بیان ساده، رفتار کوانتومی اتم در هنگام سقوط آزاد همان الگویی را نشان داد که اصل همارزی پیشبینی میکند.
آیا این آزمایش نظریه گرانش را بهطور کامل اثبات کرد؟
پاسخ منفی است. پژوهشگران تأکید دارند که این نتیجه به معنای اثبات تمام نظریههای گرانش یا حل شدن معمای قدیمی اتحاد مکانیک کوانتومی و گرانش نیست.برخی نظریههای جایگزین گرانش نیز ممکن است بتوانند نتیجه مشابهی ایجاد کنند. با این حال، آزمایش نشان میدهد که پیشبینی استاندارد درباره رفتار یک سامانه کوانتومی در میدان گرانشی، در یک آزمون مستقیم و حساس، با دادههای تجربی سازگار است.
این آزمایش همچنین به یکی از پرسشهای مهم فیزیک کوانتومی پاسخ نمیدهد: آیا مکانیک کوانتومی برای اجرام بسیار سنگین که برای مدت طولانی در حالت برهمنهی قرار دارند، همچنان برقرار میماند یا ممکن است در این شرایط دچار شکست شود؟
پژوهشگران برای بررسی این پرسش، در حال توسعه آزمایشهای بعدی با استفاده از نانوالماسها هستند؛ اجرامی که میتوانند امکان بررسی رفتار کوانتومی ماده در مقیاس بزرگتر را فراهم کنند.
این آزمایش، گرانش و مکانیک کوانتومی را یکشبه متحد نمیکند و چیزی را بهطور کامل در کتابهای فیزیک بازنویسی نمیکند؛ اما نشان میدهد ایده قدیمی اینشتین درباره سقوط اجسام، حتی زمانی که یک جسم در مقیاس کوانتومی میتواند در دو حالت قرار داشته باشد، همچنان از آزمون تجربی سربلند بیرون میآید.
مترجم:ندا اظهری
