تداخل مکانیک کوانتومی و نسبیت؛ موفقیت در آزمایش سقوط آزاد اتم‌ها

دانشمندان در یک دستاورد علمی خیره‌کننده موفق شدند برای نخستین بار تداخل میان حالت‌های کوانتومی در حال حرکت و ساکن را مشاهده کنند. این آزمایش که با استفاده از یک تداخل‌سنج گالیله کوانتومی (QGI) انجام شده، به تلاش‌های طولانی برای پیوند دادن مکانیک کوانتومی و نسبیت عام اینشتین کمک می‌کند.

رویارویی دو دنیای فیزیک: کوانتوم و نسبیت

برای دهه‌ها، فیزیکدانان با یک چالش بنیادین روبرو بودند: چگونه می‌توان اثر گرانش را بر یک موج کوانتومی اندازه‌گیری کرد؟ از آنجا که هر ذره در دنیای کوانتوم رفتاری موج‌گونه دارد، سقوط آزاد باید تغییراتی در فاز این موج ایجاد کند. اما ساخت دستگاهی که بتواند این تغییر فیزیکی ظریف را در شرایط سقوط آزاد ثبت کند، تا پیش از این غیرممکن به نظر می‌رسید.

تیمی به رهبری رون فولمن از دانشگاه بن‌گوریون، با همکاری متخصصانی از سراسر جهان، توانستند با قرار دادن اتم‌ها در حالت ابرپوزیشن (Superposition)، دو مسیر متفاوت را همزمان برای یک ذره ایجاد کنند؛ یکی مسیری که اتم در آن سقوط می‌کند و دیگری مسیری که اتم در آن ثابت می‌ماند.

فناوری تداخل‌سنج گالیله کوانتومی (QGI)

این دستگاه بسیار ظریف از حدود ۲۰ هزار اتم روبیدیوم استفاده می‌کند که در حالت «میعث condensat بو-اینشتین» نگه داشته شده‌اند. فرآیند کار به شرح زیر است:

• مرحله شلیک: با استفاده از پالس‌های مغناطیسی، اتم‌ها به سمت بالا پرتاب می‌شوند (مانند یک توپ جنگلی).
• مرحله سقوط: اتم‌های پرتاب شده تحت تأثیر گرانش سقوط می‌کنند، در حالی که همزاد آن‌ها در جای خود ثابت می‌ماند.
• مرحله فرود: یک پالس مغناطیسی دیگر مانند چتر نجات، سرعت اتم‌های در حال سقوط را دقیقاً در لحظه بازگشت به نقطه شروع کاهش می‌دهد.

این دقت بسیار بالا اجازه داد تا محققان مشاهده کنند که چگونه گرانش، فاز موج کوانتومی را تغییر می‌دهد. نتایج به‌دست آمده با پیش‌بینی‌های نظری فاصله بسیار کمی داشت و نشان داد که اصل هم‌ارزی در سیستم‌های کوانتومی نیز صادق است.

گام بعدی: آزمایش با نانو‌الماس‌ها

اگرچه این آزمایش موفقیت‌آمیز بود، اما هنوز پاسخ نهایی به تضاد میان نسبیت و کوانتوم مشخص نشده است. تیم تحقیقاتی قصد دارد در سال‌های آینده آزمایش خود را با استفاده از نانو‌الماس‌ها انجام دهد. این اشیاء بسیار سنگین‌تر از اتم‌ها هستند و می‌توانند خمیدگی‌هایی در فضا-زمان ایجاد کنند.

"اگر یک نانو‌الماس را در دو مکان مختلف قرار دهیم، در واقع با ابرپوزیشن دو انحنای متفاوت در فضا-زمان روبرو خواهیم بود."

این پروژه می‌تواند به بررسی فرضیه روجر پنروز بپردازد که معتقد است جهان نمی‌تواند ابرپوزیشن‌های پیچیده در فضا-زمان را تحمل کند و در نهایت باعث فروپاشی سیستم شود.

در نهایت، این پژوهش نقطه عطفی در درک ما از مرزهای فیزیک است. با بررسی رفتار اجسام سنگین‌تر در حالت کوانتومی، دانشمندان امیدوارند به یکی از بزرگ‌ترین معماهای هستی، یعنی اتحاد گرانش و مکانیک کوانتومی، نزدیک‌تر شوند.