الاقتراب من قياس الجاذبية الكمومية – عالم الفيزياء

أول تقنية قادرة على قياس قوة الجاذبية على جسيم يبلغ قطره ميكرونات فقط يمكن أن تساعد في البحث عن نظرية الكم للجاذبية - وهو هدف طويل الأمد في الفيزياء. تستخدم التجربة الجديدة جهاز التداخل الكمي فائق التوصيل (SQUID) لاكتشاف القوة المؤثرة على الجسيم عند درجات حرارة منخفضة للغاية وقمع الاهتزازات التي قد تتداخل مع الحركة بسبب الجاذبية.

تختلف الجاذبية عن القوى الأساسية الأخرى لأنها تصف انحناء في الزمكان بدلاً من التفاعلات المباشرة بين الأشياء. يفسر هذا الاختلاف، جزئيًا، سبب كفاح علماء الفيزياء النظرية لفترة طويلة للتوفيق بين الجاذبية (كما وصفتها النظرية النسبية العامة لأينشتاين) وميكانيكا الكم. إحدى النقاط الشائكة الرئيسية هي أنه بينما يفترض الأخير أن الزمكان ثابت، فإن الأول ينص على أنه يتغير في وجود الأجسام الضخمة. نظرًا لصعوبة إجراء تجارب لتحديد الوصف الصحيح، تظل نظرية الجاذبية الكمومية بعيدة المنال على الرغم من الجهود النظرية الكبيرة في مجالات مثل نظرية الأوتار والجاذبية الكمومية الحلقية.

الطرد الميداني لولاية مايسنر

في العمل الجديد الذي ورد في التقدم العلمي فيزيائي تجيرك أوستركامب of جامعة ليدن في هولندا، مع زملائه في جامعة ساوثامبتونوالمملكة المتحدة وإيطاليا معهد الضوئيات وتقنيات النانوسبر الحد بين الجاذبية وميكانيكا الكم من خلال دراسة سحب الجاذبية على جسيم مغناطيسي كتلته 0.43 ملليجرام فقط - بالقرب من الحد الذي تبدأ فيه التأثيرات الكمومية في الظهور. ولإجراء دراستهم، قاموا بحبس الجسيم في مجال مغناطيسي ناتج عن تمرير التيار عبر الأسلاك التي تصبح فائقة التوصيل عند درجات حرارة أقل من 100 ملي كلفن. يؤدي "المنظر الطبيعي" للمجال المغناطيسي الناتج إلى ارتفاع الجسيم بفضل تأثير الموصلية الفائقة المعروف باسم طرد حقل حالة مايسنر، حيث يعارض الحقل الناشئ عن التيارات في الموصل الفائق المجال المغناطيسي للجسيم تمامًا.

بمجرد أن يرتفع الجسيم، قام الباحثون بقياس التغيرات الصغيرة جدًا في المجال المغناطيسي التي تنشأ عندما يتحرك حول مركز كتلته. لقد فعلوا ذلك باستخدام مقياس مغناطيسي DC SQUID مدمج مع ضبط مستمر لتردد إمكانية الملاءمة المغناطيسية. وقد مكنهم ذلك من وصف سعة حركة الجسيم كدالة لتغيرات التردد هذه.

قمع الاهتزازات

ثم أحدث الباحثون اضطرابًا في الجاذبية عن طريق تدوير عجلة ثقيلة خارج الثلاجة مباشرةً، أو ناظم البرد، الذي يحتوي على التجربة. تم ضبط تردد دوران العجلة لإثارة أحد ترددات اهتزاز الجسيم المرفوع. ولكن قبل أن يتمكنوا من قياس التغيرات في حركة الجسيم بسبب اضطراب الجاذبية هذا، كان على أوستركامب وزملائه التأكد أولاً من وجود أشياء أخرى يمكنها تحريك الجسيم - مثل الاهتزازات القادمة من الضاغط والمضخات المسؤولة عن تبريد الموصل الفائق -. قمعها بشكل جيد للغاية.

يوضح أوستركامب: "لقد تبين أن هذا هو التحدي الأكثر إلحاحًا في تجربتنا، ولكن بمجرد أن نجحنا في القيام بذلك، تبين أن حركة الجسيم المتبقي كانت صغيرة جدًا لدرجة أنها أزعجتها الجاذبية - ونحن يمكن في الواقع قياس هذا."

دفع حدود

كان أوستيركامب وزملاؤه يعتزمون في الأصل استخدام منظم التبريد الخاص بهم لتبريد وإثارة مرنان ميكانيكي. يشرح أوستركامب قائلاً: "كنا نفعل ذلك لمحاولة إثبات أنه يمكن أن يكون في مكانين في وقت واحد، مثلما يمكن أن يكون الإلكترون عندما يُظهر تأثيرات التداخل التي تمر عبر شقين". «من التداخل، يستنتج المرء أن الإلكترون عبارة عن موجة ويمر عبر الشقين في وقت واحد. بالنسبة لتجربتنا، التي لا يزال أمامها طريق طويل لنقطعه، فقد عملنا على عزل الاهتزازات لتبريد مستشعر القوة لمراقبة نفس النوع من التأثير لمرنان ميكانيكي صغير.

يتذكر أن هذه التجارب الأولية سارت بشكل جيد لدرجة أنهم سألوا أنفسهم: ما هي أصغر قوة يمكن أن يمارسوها على الجسيم في إعدادهم لإثبات حساسية التجربة؟ يتذكر أوستركامب قائلاً: «عندما أدركنا أن قياسات الجاذبية أصبحت في متناول اليد، تحمسنا بشكل خاص.

يجب أن تكون التجربة أكثر حساسية

يقول أوستركامب إن الخطوة التالية هي التقريب بين تأثيرات الجاذبية والكم. "إن القدرة على قياس قوة الجاذبية من جسيم موجود في مكانين في وقت واحد سيكون أمرًا مرغوبًا للغاية، لكننا بحاجة إلى جعل تجربتنا أكثر حساسية للقيام بذلك وإجراء قياسات على الأجسام الأثقل التي تظهر تأثيرات كمومية - مثل التراكب و يقول: "التشابك، على سبيل المثال".

ولتحقيق هذه الغاية، يعمل الباحثون على استبدال العجلة الموجودة خارج جهاز التبريد الخاص بهم بعجلة أو مروحة مماثلة بداخلها. يقول أوستركامب: "بدلاً من عجلة تحتوي على كتل بحجم كيلوغرام وتوضع على بعد 30 سم من المستشعر، نأمل في تكوين كتل مليغرامية على مروحة تبعد سنتيمترًا واحدًا فقط".

ويحاول الفريق أيضًا عزل الاهتزازات الخارجية في تجربتهم بشكل أكبر وجعل نظامهم أكثر برودة. يقول أوستركامب: "يمكن لهذه التدابير أن تحسن حساسيات القياس بمقدار 100 ضعف".

• محتوى مدعوم من تحسين محركات البحث وتوزيع العلاقات العامة. تضخيم اليوم.
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai. تمكين نفسك. الوصول هنا.
• أفلاطونايستريم. ذكاء Web3. تضخيم المعرفة. الوصول هنا.
• أفلاطون كربون، كلينتك ، الطاقة، بيئة، شمسي، إدارة المخلفات. الوصول هنا.
• أفلاطون هيلث. التكنولوجيا الحيوية وذكاء التجارب السريرية. الوصول هنا.
• المصدر https://physicsworld.com/a/getting-closer-to-measuring-quantum-gravity/