تراشه اتمی به‌کار رفته در آزمایش (ساخته‌شده در دانشگاه بن‌گوریون در نِگب). تراشه در این آزمایش وارونه قرار داشت و اتم‌ها دقیقاً در زیر آن دست‌کاری می‌شدند. منبع: Ben-Gurion University of the Negev

بیش از یک قرن است که فیزیکدان‌ها به دو توصیف برجسته از طبیعت تکیه کرده‌اند. مکانیک کوانتومی رفتار عجیب اتم و دیگر اجسام ریز را توصیف می‌کند. نظریه گرانشی اینشتین توضیح می‌دهد که اجسام چگونه سقوط می‌کنند و گرانش چه‌طور جهان را شکل می‌دهد. با این حال هنوز دانشمندان نمی‌دانند که این دو نظریه چه‌طور با هم سازگار می‌شوند.

اکنون یک گروه بین‌المللی آزمایشی ترتیب داده‌اند که نقطه تلاقی این دو را بررسی می‌کند. محققان در این پژوهش تغییر مشخصی را در ویژگی‌های کوانتومی اتم‌ها هنگام سقوط تحتِ تأثیر گرانش مشاهده کردند. نکته مهم این است که اثری که آنها ارزیابی کردند همان اثری است که با اعمال اصل هم‌ارزی اینشتین – سنگ بنای نظریه گرانشی اینشتین- بر یک جسم کوانتومی پیش‌بینی می‌شود.

طبق اصل هم‌ارزی، برای ناظر در حال سقوط آزاد، گرانش باید به‌طور موضعی ناپدید شود. مثلاً کسی که در یک آسانسور در حال سقوط آزاد است بی‌وزنی را تجربه می‌کند. با این که این نظریه از آزمایش‌های فوق‌العاده دقیق ماده معمولی جان سالم به‌دربرده است، مشخص نبود که چگونه می‌توان آن را با به‌ صورت تجربی با اجسام کوانتومی آزمود؛ اجسامی که می‌توانند موج‌گونه رفتار کنند و عملاً با بیش از یک مسیر مرتبط باشند.

در قلب این آزمایش دستگاه جدیدی وجود دارد که محققان آن را تداخل‌سنج کوانتومی گالیله می‌نامند. دستگاه به آنها امکان داد تا کاری غیرمعمول انجام دهند: موج کوانتومی مربوط به یک اتم را عملاً به دو مسیر مختلف تقسیم کنند، یکی را در جای خود نگه داشته و مسیر دیگر مجاز باشد که ]تحت تأثیر گرانش [ سقوط آزاد کند، و دوباره این دو مسیر را یکی کنند تا ببینند که گرانش چه تغییری در موجِ در حال سقوط ایجاد کرده است.

دستگاه MOT دوبعدی (Two-Dimensional Magneto-Optical Trap) که محفظه آزمایش را با اتم‌های سرد تغذیه می‌کند. در مرکز تصویر یک سلول شیشه‌ای قرار دارد که بین سیم‌پیچ‌های تولیدکننده میدان مغناطیسی تحت خلأ نگه داشته می‌شود. اتم‌ها از طریق سوراخ کوچکی که در مرکز سطح زرد (بازتابیده) دیده می‌شود وارد محفظه آزمایش می‌شوند. عکس از: Or Dobkowski.

آزمون کوانتومی اصل اینشتین

این آزمایش در دانشگاه بن‌گوریون انجام شد و محققان از ابرهایی از اتم روبیدیم، که تا دمایی کمی بالاتر از صفر مطلق سرد شده، و در نزدیکی سطح یک تراشه اتمی با طراحی ویژه قرار داده شده بود، استفاده کردند.

گروه آزمایش شامل اور دوبکوفسکی (Or Dobkowski)، دانشجوی دکتری، ابتدا با استفاده از پالس‌های طول‌موج کوتاه اتم‌های فوق‌ِ سرد را در یک برهمنهی کوانتومی قرار دادند، طوری‌که عملاً هر اتم همزمان می‌توانست در دو مسیر مختلف حرکت کند. سپس از سیم‌های الکتریکی ریزی روی تراشه استفاده کردند تا میدان‌های مغناطیسی بادقت‌کنترل‌شده‌ای تولید کنند. مؤلفه‌ای از تابع موج اتمی به این میدان مغناطیسی واکنش نشان داد و به محققان اجازه داد تا نیروی رو به بالایی اعمال کنند که دقیقاً کششِ روبه‌پایینِ گرانش را خنثی کند. در عمل این بخش از تابع موج اتم نسبت به آزمایشگاه و زمین ثابت نگه داشته شد.

مؤلفه دیگر با یک پالس مغناطیسی به‌دقت‌کنترل‌شده به سمت بالا رانده شد. سپس به حالتی منتقل شد که تقریباً تحت تأثیر میدان مغناطیسی قرار نمی‌گرفت تا بتواند تحت میدان گرانشی سقوط آزاد داشته باشد؛ سقوطی که از مسیری پرتابه‌ای، مشابه مسیر حرکت توپی که به هوا پرتاب می‌شود، پیروی می‌کند.

نمای کلی چیدمان آزمایش. در مرکز سامانه، محفظه خلائی وجود دارد که شرایطی مشابه محیط فضا دارد و باعث می‌شود اتم‌ها بدون اختلال باقی بمانند. سمت چپ، یک MOT دو بعدی قرار دارد، دستگاهی که اتم‌ها را به محفظه آزمایش، جایی که تراشه اتمی در آن قرار دارد، وارد می‌کند. در اطراف محفظه، آنتن‌ها، سیم‌پیچ‌ها و فیبرهای نوری قرار دارند که امکان گیرانداختن و خنک‌کردن اتم‌ها و سپس دست‌کاری آنها برای قرار گرفتن در دو مسیر جدا را فراهم می‌کند. در نهایت فاز نسبی میان دو مسیر شناسایی می‌شود. عکس از: اور دوبکوفسکی.

در پایان مرحله سقوط آزاد، محققان از یک پالس مغناطیسی به‌دقت‌کنترل‌شده دیگر استفاده کردند تا دوباره دو مؤلفه را به بکدیگر برگردانند. وقتی دو موج دوباره با هم ترکیب شدند، با یکدیگر تداخل کردند. این تداخل به محققان امکان داد تا تفاوت اندک در فاز کوانتومی‌ای که در طول زمان در مؤلفه درحال‌ ِسقوط آزاد و مؤلفه ثابت‌، انباشه شده را اندازه‌گیری کنند.

اختلاف فاز اندازه‌گیری‌شده در آزمایش جدید همان فاز پیش‌بینی‌شده هنگام اعمال اصل ]هم‌ارزی[ اینشتین بر چنین موج کوانتومی‌ای است. به‌این‌ترتیب این نتیجه ارتباط تجربی میان فیزیک کوانتومی و نظریه گرانشی اینشتین را برقرار می‌کند.

با این که در آزمایش‌های پیشین نیز از ذرات کوانتومی برای اندازه‌گیری گرانش استفاده شده بود، محققان می‌گویند این نخستین اندازه‌گیری مستقیمِ فاز کوانتومی پیش‌بینی‌شده برای جسمی در حال سقوط آزاد است.

پروفسور ران فولمن (Ron Folman) (از دانشگاه بن‌گوریون در نگب) می‌گوید: «این مقاله از این جهت منحصربه‌فرد است که یک آزمایش دشوار را با یک تفسیر نظری گسترده درباره یکی از بنیادی‌ترین پرسش‌های فیزیک ترکیب می‌کند: چگونه می‌توان گرانش (که با نظریه نسبیت اینشتین توصیف می‌شود) و نظریه کوانتومی را در چارچوب واحدی برای توصیف جهان با هم متحد کرد؟ این دو ستون فیزیک نوین تاکنون در برابر تمام تلاش‌ها برای یافتن یک چارچوب نظری واحد مقاومت کرده‌اند، اما این آزمایش پیچیده سرنخ‌های بیشتری درباره چگونگی دست‌یابی به چنین وحدتی در اختیار ما قرار می‌دهد.»

پروفسور ولاتکو ودرال (Vlatko Vedral) (دانشکده فیزیک دانشگاه آکسفورد)، از دیگر نویسندگان این پژوهش، می‌افزاید «ما هیچ نظریه سازگار و منسجمی نداریم که بگوید چرا فیزیک کوانتومی باید شکست بخورد. این آزمایش، مکانیک کوانتومی را به یکی از جذاب‌ترین مرزهای آن، گرانش، می‌برد و نشان می‌دهد که بار دیگر پیش‌بینی‌های آن درست باقی می‌مانند.»

این نتیجه مکانیک کوانتومی و گرانش را متحد نمی‌کند و همچنین نشان نمی‌دهد که خودِ گرانش ماهیتی کوانتومی دارد. در عوض نشان می‌دهد که اصل هم‌ارزی اینشتین در محدوده‌ تجربی‌ای که در این آزمایش بررسی شده، همچنان با مکانیک کوانتومی سازگار باقی می‌ماند.

این پژوهش استدلالی را که پروفسور سر راجر پنروز (دانشگاه آکسفورد) از همکاران تحقیق مطرح کرده، نیز رد نمی‌کند؛ استدلالی که بر اساس آن ممکن است مکانیک کوانتومی در مورد اجسام به اندازه کافی پرجرمی که به مدت کافی طولانی در حالت برهمنهی کوانتومی نگه داشته می‌شوند، از کار بیفتد. در حالی که آزمایش کنونی به جرم‌ها یا مقیاس‌های زمانی مورد نیاز برای آزمودن این ایده نرسیده، گروه پژوهشی امیدوار است این روش گامی به سوی آزمایش‌هایی با اجسام بسیار سنگین‌تر، مثلاً نانو الماس، باشد که می‌تواند این احتمال را بررسی کند. اکنون چنین آزمایشی در همان گروه پژوهشی در دانشگاه بن‌گوریون نگب در حال انجام است.

این پژوهش بین‌المللی با مشارکت محققانی از دانشگاه بن‌گوریون در نگب، دانشگاه آکسفورد، دانشگاه ساوت‌همپتون،‌ مرکز هوافضای آلمان، مؤسسه فناوری‌های کوانتومی در اولم (Ulm)،‌ دانشگاه اولم و دانشگاه تگزاس A&M انجام شده است.

منبع:

Scientists observe Einsteins gravity in the quantum world