جدیدترین مطالب را دنبال کنید

فیزیکدانان احتمالا به بنیان های گرانش کوانتومی دست پیدا کرده‌اند

07:46830
FavoriteLoadingافزودن به علاقمندی

در سال 1935 ، زمانی‌که هر دو نظریه مکانیک کوانتومی و نسبیت عامِ اینشتین به تازگی مطرح شده بودند ، فیزیکدان نه چندان شناخته شده‌ی اهل شوروی ، ماتاوی برونستین ، اولین مطالعات را در زمینه متحد کردن این دو نظریه و تولد نظریه‌ی گرانش کوانتومی، انجام داد. او این نظریه را ” تئوری محتملِ جهان به عنوان یک کل ” نام‌گذاری کرد . این نظریه می‌توانست جایگزین توصیف کلاسیک اینشتین از گرانش یا همان خمیدگی فضا-زمان باشد و به زبان کوانتوم تمام فیزیک را شرح دهد.

برونستین فهمید چگونه گرانش را در قالب ذرات کوانتومی یا گِراویتون‌ها توضیح دهد ؛ اما تنها زمانی‌که گرانش آنقدر ضعیف باشد که فضا-زمان به طور تقریبی تخت در نظر گرفته شود.

وقتی گرانش قوی باشد قضیه کاملا متفاوت است ؛ برونستین نوشت :

بنظر بسط گرانش کوانتومی بدون بازنگری عمیقِ مفاهیم کلاسیک غیرممکن است.

83 سال بعد، فیزیکدانان همچنان در تلاشند تا بفهمند چگونه خمیدگی‌های فضا-زمان در قالب یک تصور بنیادی از گرانش ظاهر می‌شود. ظاهرا این عمیق‌ترین پرسش فیزیک است.

پژوهش‌ها برای بررسی گرانش کوانتومی با این فرض انجام می‌شدند که هرگز شهود تجربی برای آن‌ها وجود نخواهد داشت .بنابراین فیزیکدانان هرگز به درستی درنیافتند که نظریه‌ی خمیدگی فضا-زمان اینشتین یا تقریب کوانتومی برای گرانش ضعیف برونستین ، اشتباه است یا خیر!

مشکل اصلی نیروی بسیار ضعیف گرانشی است. در حالی‌که ذرات کوانتیده که عامل ایجاد نیروی ضعیف و قوی هسته‌ای و الکترومغناطیسی هستند ، آنقدر قوی اند که اتم‌ها را کنار هم قرار داده و ماده را پدید می‌آورند.

تنها این نیست ؛ بنظر می‌رسد کیهان توسط نوعی حسگر کیهانی هدایت می‌شود : نواحی با گرانش بسیار زیاد (به طوری‌که خمیدگی فضا-زمان به قدری نوک تیز است که معادلات اینشتین درست عمل نمی‌کنند ) که در پس افق رویداد سیاه‌چاله‌ها پنهان شدند!

اکنون جفت مقالاتی که به تازگی در Physical Review Letters  چاپ شده‌اند، محاسبات را تغییر داده است. این مقالات بیان می‌کنند که دسترسی به گرانش کوانتومی بالاخره ممکن شده است (در حالی که اطلاعات زیادی در مورد آن نداریم). این مقالات که توسط سوگاتو بوس از دانشگاه لندن و نه نفر از همکارانش و چیارا مارلتو و والتکو ودرال از دانشگاه آکسفورد آزمایشی طراحی کردند که ثابت میکند گرانش مانند سایر نیرو ها منشاء کوانتومی دارد حتی اگر هرگز مشاهده نشود. 

این آزمایش بررسی میکند که آیا دو جسم (این گروه از میکرو الماس‌ها استفاده کردند) می‌توانند بصورت کوانتومی در هم‌تنیده باشند ؟

در هم‌تنیدگی در کوانتوم مکانیک پدیده‌ایست که در آن اشیا بدون برخورد فیزیکی با یکدیگر در ارتباط هستند. به گونه‌ای که با این‌که هریک، یک احتمال دارند مجموع احتمال آن‌ها که سوپرپوزیشن نامیده می‌شود در کوانتوم مکانیک نقش مهمی دارد .

مثلا اگر دو ذره یکی با اسپین بالا و دیگری پایین داشته باشیم نمی‌توانیم با اطمینان بدانیم هر یک کدام حالت است ولی وقتی یکی را اندازه بگیریم، بدون اندازه‌گیری دیگری با اطمینان می‌توانیم بگوییم حالت عکس دیگریست.

گرانش کوانتومی آن‌قدر ناشناخته است که برخی موجودیت آن را زیر سوال می‌برند. فیزیکدان نظری برجسته، فریمن دایسون، از سال 2001 مطرح کرد که ممکن است کیهان از نوعی توصیف دوگانه برخوردار باشد. او در The New York Review of Books  نوشته است :

میدان گرانشی مطرح شده توسط اینشتین در نسبیت عام، میدانی کلاسیک فاقد هرگونه رفتار کوانتومی می‌باشد.

دایسون که در پیشرفت الکترودینامیک کوانتومی (نظریه‌ای که برهمکنش میان ماده و نور را بررسی می‌کند) نقش موثری داشته است و در حال حاضر استاد دپارتمان علوم پیشرفته در دانشگاه پرینستون است، به نوعی با این نظریه مخالف است چراکه معتقد است لزومی ندارد پدیده‌های غیرقابل دسترس مانند سیاه‌چاله‌ها را به وسیله گرانش کوانتومی توضیح داد.

آزمایشی که برای بررسی اثرات گرانشی و کوانتومی گرانش کوانتومی ترتیب داده شده غالبا شامل دو میکروالماس (یکی آبی و دیگری قرمز) در مخزن خلا بسیار بسیار سرد در کنار یکدیگر قرار داده شده‌اند. وقتی رابط نگهدارنده آن دو خاموش شود به درون مخزن خلا سقوط می‌کنند در حالی که دو حالت سوپرپوزیشن دارند در حین سقوط جاذبه یکدیگر را حس می‌کنند. ولی جاذبه میان آن دو چقدر قوی است؟

اگر گرانش یک کنش کوانتومی باشد پاسخ این است : بستگی دارد! هرمولفه سوپرپوزیشن الماس آبی یک جاذبه ضعیف یا قوی را نسبت به الماس قرمز احساس می‌کند که بستگی به موقعیت مکانی هر سوپرپوزیشن دو الماس نسبت به یکدیگر دارد.

پس از اینکه میکروالماس‌ها حدود 3 ثانیه (مدت زمان لازم برای تنیده شدن در میدان گرانشی یکدیگر) در کنار یکدیگر سقوط کردند، از میدان مغناطیسی یکدیگر که حاصل هر سوپرپوزیشن است عبور می‌کنند. آخرین مرحله آزمایش “شاهد تنیدگی” است که توسط فیزیکدان هلندی، باربارا ترهال، مطرح شده و به این شرح است: الماس‌های آبی و قرمز وارد سیستمی می‌شوند که جهت اسپین آنها را توسط سیستم نیتروژن-خلاء اندازه می‌گیرد . دو داده بدست آمده مقایسه می‌شوند. آزمایش بارها و بارها تکرار می‌شوند و تعداد زیادی داده جفت جفت بدست می‌آیند و باهم مقایسه می‌شوند. محققان می‌توانند اندازه بگیرند که آیا اسپین‌های اندازه گرفته شده از این سیستم کوانتومی مانند سایر سیستم های کوانتومی همبستگی دارند یا خیر. اگر این همبستگی وجود داشته باشد پس این میدان گرانشی خواص کوانتومی دارد.

چالش‌های فراوانی پیش روی این آزمایش وجود دارد . بزرگترین ماده‌ای که  مورد این آزمایش قرار گرفت یک مولکول 800 اتمی است. هر میکرو الماس شامل 100میلیارد اتم کربن است، تعدادی مناسب برای ایجاد یک میدان گرانشی قابل اندازه‌گیری، ویژگی‌های مکانیکی دمای سردتری را ملزوم می‌دارد؛ علاوه بر خلائی بیشتر و کنترل بهتر محیط آزمایش.

چرا گرانش منحصر بفرد است؟

پژوهشگران حوزه گرانش کوانتومی شکی ندارند که گرانش، کنشی کوانتومی است و می‌تواند در هم‌تنیدگی داشته باشد. قطعا گرانش کوانتومی از بعضی جهات کاملا منحصربفرد است و درهای جدیدی برای درک بیشتر ماهیت فضا و زمان گشوده، ولی کوانتوم مکانیک باید دخیل باشد.

دنیل هارلو، پژوهشگر گرانش کوانتومی از MIT میگوید:

واقعا منطقی نیست که بخواهیم نظریه‌ای داشته باشیم که قسمتی کوانتوم و بخضی دیگر گرانش کلاسیک باشد.

از طرفی دیگر نظریه‌پردازان قبلا هم اشتباهاتی داشته‌اند؛ هارلو در ادامه می‌گوید:”اگر بتوانیم بررسی کنیم چه اشکالی دارد؟ اگر بتواند افرادی را که می‌گویند گرانش کوانتومی نیست را ساکت کند!”

در واقع روشی که بوس، مارلتو و همکارانشان برای گرانش کوانتومی ارائه دادند از همان ایده اولیه برونستین در 1935 سرچشمه می‌گیرد. (دایسون مقاله برونستین را یک اثر هنری نام نهاده که پیش‌تر ندیده بود.)

می‌توان گفت برونستین نشان داد که گرانش ضعیف ایجاد شده توسط جسمی کوچک تقریبا همان قانون گرانش نیوتون است (این همان نیرویی است که بین سوپرپوزیشن‌های میکروالماس‌ها وجود داشت).

لئونارد ساسکیند، نظریه‌پرداز برجسته گرانش کوانتومی و نظریه ریسمان از دانشگاه استنفورد، ارزش خاصی در انجام این آزمایش دید چرا که گفته است: “این آزمایشات مشاهداتی از گرانش در بازه جدیدی از جرم و فاصله فراهم می‌کند.” ولی او و سایر پژوهشگران تاکید کردند که میکروالماس‌ها نمی‌توانند هیچ چیزی را در مورد نظریه کامل گرانش کوانتومی یا فضا-زمان اثبات کند. او و همکارانش در حال کشف حقایقی در مورد مرکز سیاهچاله‌ها و همزمان بیگ بنگ هستند.

شاید دلیل اینکه چرا وارد کردن کوانتوم به گرانش نسبت به سایر حوزه‌ها بسیار سخت‌تر است این باشد که سایر نیروهای میدانی از ویژگی به نام “موقعیت مکانی” برخوردار هستند؛ درحالی‌که ذرات کوانتومی مانند فوتون‌ها و غیره، همانطور که مارک ون رامسدونک، نظریه پرداز حوزه گرانش کوانتومی از دانشگاه کلمبیا میگوید: “مستقل از عوامل فیزیکی فضا هستند”.  ولی حداقل نظریاتی هستد که  در صورت نقض می‌دانیم گرانش اینگونه کار نمی‌کند.

0 0 vote
Article Rating
لینک کوتاه
https://sciencetoday.ir/?p=5097

مشترک شوید
آگاه شوید
guest
0 Comments
Inline Feedbacks
View all comments
0
Would love your thoughts, please comment.x
()
x
کانال علم روز