“گرانش کوانتومی” ممکن است در نهایت به یکپارچه سازی مکانیک کوانتومی با نسبیت عام کمک کند
دانشمندان راهی را برای اندازه گیری گرانش در سطوح میکروسکوپی تعیین کرده اند که ممکن است آنها را به شکل گیری نظریه “گرانش کوانتومی” و حل برخی از اسرار بزرگ کیهانی نزدیک کند.
فیزیک کوانتوم بهترین توصیف از جهان را در مقیاس های کوچکتر از اتم ها به دانشمندان ارائه می دهد. نظریه آلبرت انیشتین از نسبیت عاماز سوی دیگر، بهترین توصیف فیزیک را در مقیاس های عظیم و کیهانی ارائه می دهد. با این حال، حتی پس از 100 سال که هر دو نظریه تحت آزمایش‌های آزمایشی متعددی قرار می‌گیرند، چیزی به طرز ناامیدکننده‌ای گم شده است.
به همان اندازه که دو نظریه توسعه یافته در اوایل قرن بیستم قوی و دقیق شده اند، آنها از گرد هم آمدن خودداری می کنند.
یکی از دلایل اصلی این معضل این است که در حالی که سه از جهان چهار نیروی اساسی – الکترومغناطیس، نیروی هسته ای قوی و نیروی هسته ای ضعیف – دارای توصیفات کوانتومی هستند، هیچ نظریه کوانتومی برای چهارم وجود ندارد: جاذبه زمین.
با این حال، اکنون یک تیم بین‌المللی با شناسایی موفقیت‌آمیز یک کشش گرانشی ضعیف روی ذره‌ای کوچک با استفاده از تکنیکی جدید، در رفع این عدم تعادل پیشرفت کرده است. محققان بر این باورند که این می تواند اولین گام مقدماتی در مسیری باشد که به نظریه “گرانش کوانتومی” منتهی می شود.
تیم فوکس، یکی از اعضای تیم و دانشمند دانشگاه ساوتهمپتون، در بیانیه ای گفت: برای یک قرن، دانشمندان تلاش کردند و نتوانستند درک کنند که چگونه گرانش و مکانیک کوانتومی با هم کار می کنند. با درک گرانش کوانتومی، می‌توانیم برخی از اسرار جهان خود را حل کنیم – مانند اینکه چگونه شروع شد، در سیاهچاله‌ها چه اتفاقی می‌افتد، یا اینکه چگونه همه نیروها در یک نظریه بزرگ گرد هم می‌آیند.
متصل: «فضا-زمان موجی» می تواند توضیح دهد که چرا گرانش طبق قوانین کوانتومی کار نمی کند
جاذبه درمان “شبح” را دریافت می کند
شاید مناسب باشد که نسبیت عام و فیزیک کوانتومی متقابل نیستند. گذشته از همه اینها، انیشتین هرگز با فیزیک کوانتومی احساس راحتی نکردم. این به این دلیل است که در حالی که فیزیک کوانتومی جنبه‌های ضد شهودی زیادی دارد، او یکی از آنها را بسیار نگران‌کننده دانست.
این ایده برای در هم تنیدگی. در خطر ساده‌سازی بیش از حد، درهم تنیدگی مربوط به هماهنگ کردن ذرات است به گونه‌ای که تغییر خواص یک ذره بلافاصله خواص یک ذره شریک درهم تنیده را تغییر می‌دهد، حتی اگر شریک در طرف مقابل جهان باشد. انیشتین این کار را “عمل شبح آور از راه دور” نامید، زیرا این مفهوم را به چالش می کشد واقع گرایی محلی.
رئالیسم محلی این ایده است که اشیاء همیشه دارای ویژگی های خاصی هستند و تعامل بین این اشیاء توسط فاصله و فاصله محدود می شود. سرعت نوریک محدودیت سرعت جهانی که توسط انیشتین به عنوان مبنای نسبیت خاص معرفی شده است. نسبیت خاص در واقع نظریه ای است که منجر به تدوین نسبیت عام شد. با این حال، علی‌رغم اعتراض‌های اینشتین، دانشمندان در واقع ثابت کرده‌اند که درهم‌تنیدگی و دیگر جنبه‌های ضد شهودی فیزیک کوانتومی در واقع عوامل واقعیت در مقیاس‌های زیراتمی هستند.
چنین اثباتی با آزمایش های پیشگامانه متعدد به دست آمده است. به عنوان مثال، فوکس و همکارانش راه فیزیکدانانی مانند آلن اسپکت، جان کلاسر و آنتون زایلینگر را دنبال می کنند که برنده شدند. جایزه نوبل فیزیک 2022 برای تایید تجربی ماهیت غیر محلی درهم تنیدگی.
در آزمایش کوانتومی جدید خود، محققان، از جمله دانشمندان دانشگاه ساوتهمپتون، دانشگاه لیدن و موسسه فوتونیک و نانوتکنولوژی، از «تله‌های» مغناطیسی ابررسانا برای اندازه‌گیری کشش گرانشی ضعیف کوچکترین جرمی که کسی تاکنون تلاش کرده است استفاده کند. بدین ترتیب .
این ذره کوچک در تله ابررسانا در دمای حدود -459.4 درجه فارنهایت (273- درجه سانتیگراد) معلق می شود که فقط چند صدم درجه بالاتر است. صفر مطلق، دمای فرضی که در آن تمام حرکت اتمی متوقف می شود. این دمای خنک برای به حداقل رساندن ارتعاشات ذرات ضروری بود. در نهایت، این تیم کشش گرانشی 30 “اتو نیوتن” روی ذره را اندازه گیری کردند.
AttoNewtons معیاری از نیرو است. برای اینکه تصور کنید نیروی گرانشی روی ذرات مورد مطالعه چقدر کم بوده است، یک نیوتن به عنوان نیروی لازم برای ایجاد جرم یک کیلوگرم با شتاب یک متر بر ثانیه در ثانیه تعریف می شود. و 30 آتو نیوتن معادل 0.00000000000000003 نیوتن است!
فوکس گفت: «ما اکنون با موفقیت سیگنال‌های گرانشی را در کوچکترین جرم ثبت‌شده اندازه‌گیری کرده‌ایم، به این معنی که یک قدم به درک نهایی نحوه عملکرد پشت سر هم نزدیک‌تر شده‌ایم. از این به بعد، ما شروع به کوچک کردن منبع با استفاده از این تکنیک خواهیم کرد تا زمانی که به دنیای کوانتومی در هر دو طرف برسیم.
هندریک اولبریخت، عضو تیم و دانشمند دانشگاه ساوتهمپتون، گفت: این آزمایش راه را برای آزمایش هایی با جرم های کوچکتر و همچنین اندازه گیری نیروهای گرانشی حتی کوچکتر هموار می کند.
ما در حال جابجایی مرزهای علم هستیم که می تواند به اکتشافات جدیدی در مورد گرانش و جهان کوانتومی منجر شود.» روش جدید ما که از دماها و دستگاه‌های بسیار پایین برای جداسازی ارتعاشات ذرات استفاده می‌کند، احتمالاً راه‌های پیش روی اندازه‌گیری گرانش کوانتومی را ثابت می‌کند.» “کشف این اسرار به ما کمک می کند تا رازهای بیشتری را در مورد ساختار جهان، از کوچکترین ذرات تا بزرگ ترین ساختارهای کیهانی، کشف کنیم.”
تحقیقات این تیم روز جمعه (23 فوریه) در مجله منتشر شد پیشرفت علمی
