شگفتی‌های نظریه نسبیت در دنیای شگفت‌انگیز ذرات کوانتومی!
فرارو- در تقابلی تاریخی و بی‌نظیر میان دو بنیاد بزرگ فیزیک مدرن، یعنی نظریه نسبیت عام اینشتین و مکانیک کوانتومی، یک آزمایش تجربی منحصر به فرد بر روی اتم‌های روبیدیم به نقطه تلاقی جدیدی دست یافته است که می‌تواند مسیر خلق «نظریه همه‌چیز» را هموارتر نماید.
به گزارش فرارو به نقل از اسپیس، دانشمندان برای نخستین بار قادر به رصد نشانه‌هایی واضح از عملکرد اصول گرانشی آلبرت اینشتین در محدوده ذرات کوانتومی شده‌اند. این سرنخ‌ها از طریق مشاهدات و اندازه‌گیری‌های آزمایشگاهی بر روی یک شیء کوانتومی در حالت سقوط آزاد حاصل آمده است.
اگرچه در ابتدا ممکن است تمرکز بر جابه‌جایی چند اتم رخدادی کوچک به نظر برسد، اما از دیدگاه نظری، این اقدام به عنوان گام مهمی در مسیر طولانی‌ای تلقی می‌شود که دانشمندان امیدوارند در نهایت به تدوین «نظریه همه‌چیز» منجر شود.
تقابل جاودانی نسبیت عام و مکانیک کوانتومی
برای درک ارزش بنیادی این موفقیت، لازم است به اوایل قرن بیستم بازگردیم؛ دورانی که دو نظریه تحولی پایه‌های علم مدرن را دگرگون کردند: نظریه گرانش مشهور اینشتین، یعنی «نسبیت عام» و در مقابل، جهان مرموز و غیرفیزیکی «مکانیک کوانتومی».
نسبیت عام، فضایی وسیع و پیچیده را توصیف می‌کند؛ از حرکت سیارات و فرایند شهاب‌سنگ‌ها گرفته تا میدان‌های کششی سیاهچاله‌ها و حتی مکانیسم شکل‌گیری کهکشان‌ها و خوشه‌های عظیم کهکشانی. در مقابل، فیزیک کوانتومی به قوانین حاکم بر مقیاس‌های بسیار کوچک‌تر از اتم و ذرات بنیادی می‌پردازد. با این حال، چالش بزرگ در این است: این دو نظریه برجسته، زبانی مشترک برای ارتباط با یکدیگر ندارند و معادلات ریاضی آن‌ها در نقاط مشترک به پیچیدگی و تناقض منجر می‌شود.
تاکنون هیچ نظریه معتبری وجود نداشته است که پدیده «گرانش کوانتومی» را به طور کامل توضیح دهد. با این حال، محققان با اعتقاد به اینکه فاصله ما با درک این ارتباط کمتر از هر زمان دیگری است، اقدام به طراحی آزمایشی کردند تا نقطه تلاقی مکانیک کوانتومی و نسبیت عام را کشف نمایند؛ یعنی بررسی این موضوع که ویژگی‌های کوانتومی اتم‌ها در حین سقوط تحت تأثیر نیروی گرانش زمین، چگونه تغییر می‌کند.
پروفسور ران فولمن، سرپرست تیم پژوهشی از دانشگاه بن‌گوریون در صحرای نگب، در یک اعلامیه رسمی گفت: «این مقاله یک موفقیت منحصر به فرد است، زیرا یک آزمایش تجربی چالش‌برانگیز را با تفسیری نظری عمیق درباره بنیادی‌ترین پرسش‌های فیزیک پیوند می‌زند: اینکه چگونه می‌توان توصیف انحنای هندسی گرانش اینشتین و نظریه کوانتومی را در یک درک منسجم و کلی از کائنات به هم مرتبط کرد؟»
آسانسورهای خیالی و تجلی اصل برابری
بنیاد تحقیق این گروه به یکی از اصول کلیدی نظریه نسبیت عام، یعنی «اصل برابری» (Equivalence Principle) مربوط می‌شود. مطابق این اصل، برای ناظرانی که در شرایط سقوط آزاد کاملی قرار دارند، اثر نیروی جاذبه باید به صورت محلی ناپدید شود.
اگر این توصیف در نگاه اول مبهم به نظر برسد، می‌توانیم به تمثیل آشنا درباره آسانسور فکر کنیم: فرض کنید درون یک کابین آسانسور کاملاً مسدود، بدون پنجره و جدا از محیط بیرون ایستاده‌اید و احساس وزن می‌کنید. اگر توپی را رها کنید، بر روی کف کابین خواهد افتاد. در این بین، دو سناریوی کاملاً متفاوت اما غیرقابل تشخیص می‌تواند دلیل این رخداد باشد: یا آسانسور در طبقه همکف ساختمان ثابت مانده است یا کابین با شتابی دقیقاً برابر با شتاب گرانش زمین یعنی ۹.۸ متر بر مجذور ثانیه به سمت بالا می‌رود. ناظر درون کابین قادر به تشخیص تمایز فیزیکی میان گرانش و این شتاب نیست و این همان ماهیت اصل برابری است.
حالا فرض کنیم که شرایط تغییر می‌کند: ناگهان احساس سبکی و بی‌وزنی کاملاً به شما دست می‌دهد و با رها کردن توپ، آن شیء در هوا شناور باقی می‌ماند. بدین ترتیب، جاذبه ناپدید شده یا شتاب صعودی متوقف شده است. در این حالت هم دو احتمال متغیر وجود دارد؛ ممکن است کابل آسانسور پاره شده و شما در حال سقوط آزاد باشید یا آسانسور در فضای بی‌کران فضا بی‌حرکت مانده باشد. چالش محققان فیزیک این بود: چگونه می‌توان این مفهوم کلاسیک را در مقیاس‌های اتمی و برای ذراتی که همزمان رفتار موجی و ذره‌ای از خود نشان می‌دهند، مورد آزمایش قرار داد؟
تداخل‌سنج گالیله و ردیابی سقوط امواج کوانتومی
محققان برای امتحان اصل برابری در ابعاد میکروسکوپی از ابزاری پیشرفته به نام «تداخل‌سنج کوانتومی گالیله» بهره‌برداری کردند. این دستگاه به گروه امکان داد که موج کوانتومی متعلق به یک اتم در حال حرکت را به دو مسیر مجزا تقسیم کنند: در یک مسیر، اتم در موقعیت خود باقی ماند و در مسیر دیگر اتم آزادانه تحت تأثیر گرانش سقوط کرد. سپس دانشمندان این دو مسیر موجی را دوباره ترکیب کردند تا تغییرات ناشی از جاذبه را بررسی نمایند.
این آزمایش روی ابری از اتم‌های عنصر روبیدیم انجام شد که دمای آن‌ها به حدی نزدیک به صفر مطلق کاهش یافته بود تا لرزش‌های حرارتی مزاحم به حداقل برسند. این ذرات در نزدیکی سطح یک تراشه اتمی با طراحی خاص مستقر شده بودند. فیزیکدانان با استفاده از پالس‌های مایکروویو، اتم‌ها را در حالت «برهم‌نهی کوانتومی» قرار دادند؛ وضعیتی منحصر به فرد در فیزیک ذرات که به یک سامانه کوانتومی این امکان را می‌دهد که همزمان در دو یا چند حالت متضاد وجود داشته باشد. در این حال، برهم‌نهی موجب شد هر اتم به‌طور همزمان در دو مسیر متفاوت پیش برود.
میدان‌های مغناطیسی تراشه اتمی در یک مسیر حرکتی رو به بالا اثر گذاشتند که نیروی گرانش رو به پایین را خنثی کرد و ذره را معلق نگه داشت. در مسیر دیگر، پالس‌های مغناطیسی در ابتدا اتم‌ها را به سمت بالا پرتاب کردند و سپس قطع شدند؛ بنابراین اتم‌ها به مانند توپی که به هوا پرتاب می‌شود، در حالت سقوط آزاد قرار گرفتند. زمانی که این دو موج به هم پیوستند، محققان با استفاده از پدیده «تداخل» تغییرات ایجاد شده در فاز موج در حال سقوط را اندازه‌گیری کردند. این موفقیت به عنوان نخستین ثبت تجربی از تأثیر همزمان گرانش و سقوط آزاد بر فاز یک موج کوانتومی به شمار می‌رود.
افق‌های جدید در درک ساختار کیهان
اگرچه این آزمایش یک تأیید تجربی درخشان از صحت اصل برابری اینشتین در عرصه فیزیک زیراتمی را ارائه می‌دهد، اما به هیچ‌وجه به معنای اثبات نهایی نظریه گرانش کوانتومی نمی‌باشد. با این حال، این پیشرفت گامی به جلو در مسیری دشوار است که دانشمندان بیش از یک قرن در آن پیشرفت داشته‌اند.
پروفسور ولاتکو ودرال، یکی از همکاران این پروژه، در بیانیه‌ای گفت: «هیچ چارچوب نظری منسجمی وجود ندارد که توضیح دهد چرا مکانیک کوانتومی باید در مواجهه با گرانش از کار بیفتد. این آزمایش، مکانیک کوانتومی را به یکی از کم‌سابقه‌ترین مرزهایش هدایت کرده و نشان داد پیش‌بینی‌های نظری آن همچنان استوار و پابرجا باقی مانده‌اند.» بنابراین، ثبت این پدیده تجربی، افق‌های جدیدی را برای بازتعریف قوانین طبیعت و نزدیک‌تر شدن به یکپارچگی علم فیزیک گشوده است.