“لا يوجد تعارض بين فيزياء الكم والجاذبية”: أثبت الفيزيائيون أن مبدأ التكافؤ الخاص بأينشتاين ينطبق على المقاييس الكمومية

لأول مرة، قام الفيزيائيون بقياس التحول الكمي الصغير الذي يكتسبه جسم ما من خلال سقوطه خلال جاذبية الأرض – وهو تأثير النسبية لأينشتاين الذي تم التنبؤ به منذ قرن مضى تقريبًا ولكن لم يتم ملاحظته مطلقًا.

وضع الباحثون ذرات الروبيديوم فائقة البرودة في حالة تراكب، وهي حالة كمومية يتخذ فيها الجسيم الواحد مسارين في وقت واحد. في هذه التجربة، وضع أحد المسارين الذرة في حالة سقوط حر بينما أبقاها الآخر بلا حراك. كشفت إعادة تجميع الذرات عن اختلاف غير محسوس تقريبًا بين المسارين.

القياس، نشر في 2 سبتمبر مجلة تقدم العلوم، يدل على أن مبدأ التكافؤ لأينشتاين — الفكرة التي تكمن في قلب العام النسبية – لا تزال قائمة عندما يتم دفعها إلى عالم الكم، مما يخلق رابطًا صغيرًا ولكن محيرًا بين النسبية و ميكانيكا الكم.

“يقول المبدأ أنه لا يمكن التمييز بين التسارع والجاذبية محليا” فلاتكو فيدرالقال عالم الفيزياء في جامعة أكسفورد والمؤلف المشارك للدراسة الجديدة لموقع Live Science عبر البريد الإلكتروني.

أسعد أفكار أينشتاين

التوضيح الكلاسيكي لمبدأ التكافؤ هو تجربة فكرية تعرف باسم مصعد أينشتاين. لا يستطيع الشخص المحبوس في مصعد بلا نوافذ معرفة ما إذا كانت الأرضية تضغط على قدميه لأن المصعد متوقف بلا حراك على الأرض أو لأنه يتم تسارعه عبر الفضاء الفارغ. وصف أينشتاين هذا الإدراك بأنه “أسعد فكرة” في حياته وبنى النسبية العامة حوله.

بالنسبة للأشياء اليومية الثقيلة، تم اختبار مبدأ التكافؤ بدقة غير عادية. الأجسام الكمومية مسألة مختلفة. إنها تتصرف كالموجات، وتحمل كل موجة كمية تسمى الطور، حيث تقع قممها وقيعانها. لا يمكن رؤية الطور بشكل مباشر، ولكن عندما يتم إعادة دمج نسختين من نفس الجسيم، فإن أي عدم تطابق بين أطوارهما يظهر كنمط تداخل. تعزز الموجتان بعضهما البعض في بعض الأماكن، وتلغيان بعضهما البعض في أماكن أخرى، مما يغير احتمالات ظهور الجسيم.

تقول النظرية أن الموجة في السقوط الحر يجب أن تتراكم في الطور بالنسبة لموجة مماثلة ثابتة وأن هذه الطور يجب أن تنمو مع مكعب وقت السقوط. ولذلك، فإن مضاعفة وقت السقوط يضاعف التأثير ثمانية أضعاف. قام كل من تشارلز جالتون داروين، حفيد عالم الطبيعة الشهير، وإيرل كينارد بتوثيق هذا التنبؤ في عام 1927، لكن لم يقم أحد بقياسه حتى الآن.

الذرة التي تسقط وتبقى ساكنة في نفس الوقت

يتطلب التقاط التأثير أداة تكون إحدى ذراعيها في حالة سكون حقيقي بالنسبة إلى الأرض، والأخرى في حالة سقوط حر حقيقي، وهو أمر لم تتمكن أي تجربة سابقة من توفيره. تجارب موجة المادة تعود إلى قياس التداخل النيوتروني في السبعينيات قد تم قياسها جاذبية بطرق أخرى، ولكن ليس مع هذا الزوج من المسارات.

الفريق الذي يقف وراء الدراسة الجديدة بقيادة الفيزيائي رون فولمان في جامعة بن غوريون في النقب بإسرائيل، تم تبريد ما يقرب من 20 ألف ذرة روبيديوم إلى حالة غريبة من المادة تسمى مكثف بوز-آينشتاينأطلقوا سراحهم من مصيدةهم المغناطيسية وقاموا بتشغيل مقياس التداخل حوالي 113 ميكرومترًا أسفل “شريحة ذرة” منقوشة بأسلاك ذهبية يبلغ سمكها 2 ميكرومتر فقط.

تضع نبضات الراديو والميكروويف كل ذرة في تراكب حالتين مغناطيسيتين. أطلقت ركلة مغناطيسية أحدهما إلى الأعلى، وبعد جزء من المللي ثانية، جعلت نبضة ثانية ذلك النصف غير حساس للمجالات المغناطيسية، بحيث ارتفع وهبط تحت الجاذبية وحدها. وظل النصف الآخر حساسًا مغناطيسيًا وشعر بقوة تم ضبطها لإلغاء الجاذبية تمامًا، مما تركه معلقًا في مكانه.

في الجزء العلوي من القوس، كان نصفا الذرة الواحدة يفصل بينهما حوالي 7.5 ميكرومتر – حوالي سبعة أضعاف عرض الموجة الذرية نفسها – قبل أن يتم عكس التسلسل ليجمعهما معًا مرة أخرى. أطلق الفريق على الجهاز اسم مقياس التداخل الكمي غاليليو، على اسم العالم الذي قال لأول مرة أن جميع الأجسام تسقط بنفس المعدل.

وقال فيدرال: “يمكن تراكب تسارعين مختلفين، الصفر (التسارع) وتسارع الجاذبية الأرضية، وقياس التداخل الكمي الناتج”.

مرحلة تم التنبؤ بها منذ ما يقرب من 100 عام

قام الباحثون بتتبع إشارة التداخل أثناء قيامهم بتمديد وقت السقوط الحر إلى حوالي 2.4 مللي ثانية. عبر 633 دورة على مدار 5.3 ساعة، سجلوا 13 ذبذبة كاملة، كل واحدة منها عبارة عن دورة كاملة من الطور المتراكم بين نصفي الذرة. وقد اتبع النمو مكعب الزمن الهابط، مطابقًا النموذج النظري في حدود 2.5% تقريبًا.

وقال فيدرال: “إن المرحلة بين عنصري التراكب، والتي تنمو كمكعب لمدة التجربة والتي تم التنبؤ بها منذ فترة طويلة، في عام 1927، تمت ملاحظتها أخيرًا للمرة الأولى”.

والنتيجة مهمة لأنه يمكن اشتقاق نفس المرحلة بطريقتين مختلفتين تمامًا: تعامل إحداهما الجاذبية كقوة تؤثر على موجة كمومية؛ وينتقل الآخر إلى الإطار الساقط، حيث تختفي الجاذبية، ويستدعي مبدأ التكافؤ. كلاهما يعطي نفس الإجابة، وهذا الاتفاق هو ما يسمح لميكانيكا الكم والنسبية العامة بالتعايش.

وقال فيدرال: “إنهم يخبروننا أنه عند هذا المستوى من الدقة، لا يوجد تعارض بين فيزياء الكم والجاذبية”. “وبعبارة أخرى، فإن مبدأ التكافؤ متوافق تماما مع ميكانيكا الكم.”

صعوبة إعادة النصفين لبعضهما من جديد

كان الجزء الأصعب من التجربة هو إعادة التركيب. نظرًا لأن نصفي الذرة يتحركان بسرعات مختلفة جدًا، فإن إعادتهما إلى التداخل في كل من الموضع والحركة أمر صعب للغاية. أطلق الفيزيائيون مارلان سكالي وبرتولد جورج إنجلرت وجوليان شفينجر على المشكلة اسم “تأثير هامبتي-دمبتي”. تنحني المجالات المغناطيسية أيضًا عبر السحابة الذرية، مما يؤدي إلى تشويه النصفين بطرق مختلفة.

بدأ تباين هامش التداخل عند 80% على المدى القصير، وتلاشى إلى 20% على المدى الأطول، مما يضع سقفًا عمليًا للمدة التي يمكن أن تستمر فيها التجربة. كما حذر المؤلفون من أن قياسهم لا يستبعد كل نظرية ينهار فيها مبدأ التكافؤ، لأن بعض تلك النظريات تتنبأ بنفس المرحلة.

ماذا يأتي بعد ذلك

وقال فيدرال إن الفريق يريد الآن اختبار مبدأ التكافؤ في ظل ظروف أكثر عمومية، مثل “نفس التجربة في إطار دوار”. وأضاف: “والأمر الأكثر إثارة للاهتمام هو أن إجراء تجربة يتم فيها تراكب نظامين من هذا القبيل ويمكن أن يؤثر كل منهما على الآخر بفعل الجاذبية” من شأنه أن يزيد من اختبار النتائج.

تشير هذه الفكرة الأخيرة إلى أحد الأسئلة المركزية المفتوحة في هذا المجال. إن توسيع نطاق هذه التقنية من الذرات إلى الأجسام الأثقل بكثير، مثل الماس النانوي، سيسمح للفيزيائيين بالتساؤل عما إذا كانت الجاذبية نفسها تتبع قواعد الكم، وسيفتح طريقًا لاختبار التخمين – الذي دافع عنه المؤلف المشارك في الدراسة والحائز على جائزة نوبل روجر بنروز – بأن الجاذبية هي ما يدمر التراكبات الكمومية في المقام الأول.

تعرف على مقدار ما تعرفه عن ألبرت أينشتاين من خلال موقعنا مسابقة ألبرت أينشتاين!