حدد العلماء طريقة لقياس الجاذبية على المستويات المجهرية، ربما تقربهم من تشكيل نظرية “الجاذبية الكمية” وحل بعض الألغاز الكونية الكبرى.
تقدم فيزياء الكم للعلماء أفضل وصف للكون بمقاييس صغيرة أصغر من الذرات. البرت اينشتاينومن ناحية أخرى، تقدم نظرية النسبية العامة أفضل وصف للفيزياء على المقاييس الكونية الضخمة. ومع ذلك، هناك شيء مفقود بشكل محبط حتى بعد 100 عام من اجتياز كلتا النظريتين ثروة من التحقق التجريبي.
ورغم قوة ودقة النظريتين اللتين تطورتا في مطلع القرن العشرين، إلا أنهما رفضتا الاتحاد.
أحد الأسباب الرئيسية لهذه المعضلة هو أنه في حين أن ثلاث من القوى الأساسية الأربع للكون – الكهرومغناطيسية، والقوة النووية القوية، والقوة النووية الضعيفة – لها أوصاف كمومية، إلا أنه لا توجد نظرية كمومية للقوة الرابعة: الجاذبية.
ومع ذلك، فقد أحرز فريق دولي الآن تقدمًا في معالجة هذا الخلل من خلال الكشف بنجاح عن قوة جذب ضعيفة على جسيم صغير باستخدام تقنية جديدة. ويعتقد الباحثون أن هذه قد تكون الخطوة الأولية الأولى على المسار الذي يؤدي إلى نظرية “الجاذبية الكمية”.
وقال تيم فوكس، عضو الفريق والعالم في جامعة ساوثامبتون، في بيان: “على مدار قرن من الزمان، حاول العلماء وفشلوا في فهم كيفية عمل الجاذبية وميكانيكا الكم معًا”. “من خلال فهم الجاذبية الكمومية، يمكننا حل بعض أسرار كوننا – مثل كيف بدأ، أو ما يحدث داخل الثقوب السوداء، أو توحيد جميع القوى في نظرية واحدة كبيرة.”
متعلق ب: قد يفسر “الزمكان المتموج” سبب عدم لعب الجاذبية بقواعد الكم
الجاذبية تحصل على العلاج “المخيف”.
ربما يكون من المناسب ألا تتوافق النسبية العامة وفيزياء الكم؛ ففي نهاية المطاف، لم يكن أينشتاين مرتاحًا أبدًا لفيزياء الكم. وذلك لأنه في حين أن فيزياء الكم لديها العديد من الجوانب غير البديهية، إلا أنه وجد واحدًا على وجه الخصوص مثيرًا للقلق للغاية.
لقد كانت فكرة التشابك. في خطر التبسيط، يتعلق التشابك بتنسيق الجسيمات بطريقة تؤدي إلى تغيير خصائص جسيم واحد على الفور إلى تغيير خصائص الجسيم الشريك المتشابك، حتى لو كان الشريك يقع على الجانب الآخر من الكون. أطلق أينشتاين على هذا “العمل المخيف عن بعد” لأنه يتحدى مفهوم الواقعية المحلية.
الواقعية المحلية هي فكرة أن الأشياء لها دائمًا خصائص محددة وأن التفاعلات بين تلك الأشياء محدودة بالمسافة وسرعة الضوء، وهو حد السرعة العالمي الذي قدمه أينشتاين كأساس للنسبية الخاصة. النسبية الخاصة هي في الواقع النظرية التي أدت إلى صياغة النسبية العامة في المقام الأول. ومع ذلك، وعلى الرغم من احتجاجات أينشتاين، فقد أثبت العلماء بالفعل أن التشابك وغيره من الجوانب غير البديهية لفيزياء الكم هي في الواقع عوامل للواقع على المقاييس دون الذرية.
وقد تم تحقيق هذا الدليل من خلال العديد من التجارب الرائدة. على سبيل المثال، يسير فوكس وزملاؤه على خطى فيزيائيين مثل آلان أسبكت، وجون كلاوزر، وأنتون زيلينجر، الذين فازوا بجائزة نوبل في الفيزياء لعام 2022 لتحققهم تجريبيًا من الطبيعة غير المحلية للتشابك.
في تجربتهم الكمومية الجديدة، استخدم الباحثون، بما في ذلك علماء من جامعة ساوثهامبتون، وجامعة ليدن ومعهد الضوئيات وتقنيات النانو، “مصائد” مغناطيسية فائقة التوصيل لقياس قوة الجاذبية الضعيفة على أصغر كتلة حاول أي شخص استكشافها بهذه الطريقة. .
تم رفع الجسيم الصغير في مصيدة التوصيل الفائق عند درجات حرارة تبلغ حوالي -459.4 درجة فهرنهايت (-273 درجة مئوية)، وهي مجرد أجزاء قليلة من مئات من الدرجة فوق الصفر المطلق، وهي درجة الحرارة الافتراضية التي ستتوقف عندها كل الحركة الذرية. كانت درجة الحرارة شديدة البرودة ضرورية للحد من اهتزازات الجزيئات إلى الحد الأدنى. وفي نهاية المطاف، قام الفريق بقياس قوة جذب تبلغ 30 “أتوننيوتن” على الجسيم.
يمثل AttoNewtons مقياسًا للقوة؛ لإعطائك فكرة عن مدى ضآلة قوة الجاذبية المؤثرة على الجسيمات المدروسة، يتم تعريف نيوتن الواحد على أنه القوة اللازمة لتوفير كتلة قدرها كيلوغرام واحد مع تسارع قدره متر واحد في الثانية في الثانية. و30 أتون نيوتن يعادل 0.00000000000000003 نيوتن!
وقال فوكس: “لقد نجحنا الآن في قياس إشارات الجاذبية عند أصغر كتلة تم تسجيلها على الإطلاق، وهذا يعني أننا نقترب خطوة واحدة من إدراك كيفية عملها بالترادف”. “من هنا، سنبدأ في تقليص حجم المصدر باستخدام هذه التقنية حتى نصل إلى العالم الكمي على كلا الجانبين.”
قصص ذات الصلة:
– ألبرت أينشتاين: السيرة الذاتية والنظريات والاقتباسات
– 10 أشياء محيرة يجب أن تعرفها عن فيزياء الكم
– النظرية النسبية العامة لأينشتاين
وقال هندريك أولبريشت، عضو الفريق والعالم بجامعة ساوثهامبتون، إن هذه التجربة تمهد الطريق لإجراء اختبارات بكتل أصغر، بالإضافة إلى قياس قوى الجاذبية الأصغر.
“نحن ندفع حدود العلم التي يمكن أن تؤدي إلى اكتشافات جديدة حول الجاذبية والعالم الكمي. ومن المرجح أن تثبت تقنيتنا الجديدة التي تستخدم درجات حرارة شديدة البرودة وأجهزة لعزل اهتزازات الجسيمات الطريق إلى الأمام لقياس الجاذبية الكمومية.” هو اتمم. “إن كشف هذه الألغاز سيساعدنا على كشف المزيد من الأسرار حول نسيج الكون، من أصغر الجسيمات إلى أضخم الهياكل الكونية.”
نُشر بحث الفريق يوم الجمعة (23 فبراير) في مجلة Science Advances.