فريق دولي من الفيزيائيين يخطط لتعليق الماس الصغير في فراغ لتحديد ما إذا كانت الجاذبية كمية كميّة في الطبيعة.
لقد قام العلماء بصياغة نظريات طويلة المدى تشير إلى أن الجاذبية قد تكون نموذجية كميّة، بما في ذلك نظرية النسبية العامة لألبرت أينشتاين، ولكن اختبار هذه الفكرة على أي نحو عملي ظل أمرًا مستحيلاً حتى الآن.
إذا نجحت التجارب، فإنها لن تؤكد فقط بعض النظريات التي تقترح الطابع الكمي للجاذبية، ولكنها قد توحد أيضًا نظرية النسبية العامة مع نظريات الميكانيكا الكمية.
التوحيد بين نظرية النسبية العامة والميكانيكا الكمية ثبت أنه أمر صعب
“نظرية النسبية العامة والميكانيكا الكمية هما أساسيات وصف الطبيعة التي نملكها”، كما يشرح بيان صحفي يعلن عن التجارب الجديدة. “نظرية النسبية العامة تشرح الجاذبية على نطاقات كبيرة في حين أن الميكانيكا الكمية تشرح سلوك الذرات والجزيئات”.
لسوء الحظ، لم يتمكن العلماء من “توحيد” النظريتين في شرح شامل لكيفية عمل المادة والطاقة داخل عالمنا. وهذا يرجع أساسًا إلى أن تصميم التجارب لاختبار ما إذا كانت الجاذبية كميّة قد أظهرت نفسها على نطاق الواقع.
الآن، يقول فريق دولي من الباحثين إنهم يعتقدون أن التجارب المحتملة المميزة المصممة للإجابة على هذا السؤال نهائيًا قد أصبحت في متناول اليد أخيرًا. ويشيرون إلى أن السر يكمن في ألغاز الاختلاط الكمي وقطة نظرية غير محظوظة.
قطة شرودينغر والاختلاط الكمي
في محاولة لشرح المشكلات المتعلقة بفكرة الاختلاط الكمي، حيث يمكن أن تكون جسيمة في مكانين مختلفين وبحالتين مختلفتين في آن واحد، قدم الفيزيائي القرن العشرين إرفين شرودينغر تجربة فكرية بسيطة. باختصار، يمكن أن يعتبر القط في صندوق أنه حي وميت في نفس الوقت، نظرًا لأن توقيت التحلل النووي الذي سيؤدي في النهاية إلى وفاته لا يمكن تنبؤه بشكل مثالي.
“قطة شرودينغر” هي تجربة فكرية تشير إلى أنه سيكون من الغريب جدًا لو كانت الأشياء اليومية (والحيوانات الأليفة!) يمكن أن تكون في حالة اختلاط كمي في مكانين مختلفين في آن واحد”، كما يشرح الأستاذ غافين مورلي من قسم الفيزياء في جامعة وارويك. “نحن نرغب في اختبار حدود هذه الفكرة”.
وكما يشير مورلي، فقد نجحت التجارب السابقة بنجاح في وضع كميات صغيرة من الذرات والجزيئات في حالة اختلاط كمي. ومع ذلك، فقد تعاملت هذه الجهود مع عدد قليل جدًا من الجسيمات لتحديد ما إذا كانت الجاذبية كمية أم لا، حيث تكون تأثيرات الجاذبية ضعيفة جدًا بحيث لا يمكن قياسها على هذا النطاق.
لحل هذه المشكلة، يخطط مورلي وفريقه لاختلاط الماس الصغير المكون من مليار ذرة أو أكثر. يقترحون أن هذا يجب أن يكون كتلة كافية بحيث يمكنهم قياس تأثيرات الجاذبية على كل ماسة متشابكة. وإذا كانت الجاذبية كمية في الطبيعة، فيجب أن يروا أيضًا هذه التأثيرات “نقلها” من ماسة متشابكة واحدة إلى الأخرى من خلال الاختلاط الكمي.
“إذا كانت الجاذبية كمية، فإنها ستكون قادرة على إختلاط الجوهرتين”، يوضح مورلي.
“الاختلاط” هو تأثير كمي فريد حيث ترتبط شيئين بقوة أكبر مما يمكن في حياتنا اليومية”، يقول مورلي عند شرح هذه الفكرة. “على سبيل المثال، إذا كان بإمكان عملتين أن تكونا متشابكتين، فقد تجد أنه في كل مرة تقوم فيها بإلقاءهما، سيتم لهما الهبوط بنفس الجهة حتى إذا كان من المستحيل معرفة مسبقاً إذا كانا سيكونا رؤوسًا أم أذيالًا”.
تغلب على العديد من التحديات لتحديد ما إذا كانت الجاذبية كمية
الباحثون وراء هذا الجهد الأخير لفهم طبيعة الجاذبية يعترفون بأنه مهمة صعبة للغاية تتضمن العديد من العقبات التي سيحتاجون إلى التغلب عليها. على سبيل المثال، يشرح الباحث المشارك ديفيد مور من جامعة ييل أن فريقه سيحتاج إلى “القضاء على جميع التفاعلات بين الجسيمات النانوية باستثناء الجاذبية”. مثل هذه المهمة صعبة للغاية، يوضح مور، “نظرًا لأن الجاذبية ضعيفة جدًا”.
شيء يعمل لصالح الفريق هو طبيعة الطاقة المنخفضة لتجاربهم. وفقًا للأستاذ سوجاتو بوس من جامعة كوليدج لندن، فإن ذلك يعود إلى أن الآخرين الذين يدرسون نظريات الجاذبية الكمية قد ركزوا على بيئات عالية الطاقة “قرب الثقوب السوداء وعند الانفجار الكبير”. وعلى العكس من ذلك، يقول إنه في حالة نجاح التجارب الخاصة بهم، “يمكن اعتبارها التحقق من توقع عام لأي نظرية كمية للجاذبية عند الطاقات المنخفضة”.
في النهاية، يعتقد الفريق أن التكنولوجيا قد تطورت أخيرًا بما فيه الكفاية لأداء هذه التجارب الدقيقة والمعقدة. وتعتمد النتائج على ذلك، فقد تنتهي بإجابة على واحدة من أهم الأسئلة في كل علم الفيزياء: ما إذا كانت الجاذبية كميّة في الطبيعة أم لا.
“بالنسبة لي، أهم مشكلة في الفيزياء الآن هي تطوير تجربة يمكن أن تختبر الطبيعة الكمية للجاذبية”، قال مورلي. “هذا المشروع الجديد هو تسارع في رحلتنا المثيرة نحو ذلك”.
المصدر:The Debrief
