نزدیک شدن به اندازه گیری گرانش کوانتومی - دنیای فیزیک

نزدیک شدن به اندازه گیری گرانش کوانتومی - دنیای فیزیک

تمبر زمان: 9 آوریل 2024 ساعت 4:30 صبح


برداشت هنرمند از آزمایش، که شبیه یک توپ بنفش درخشان است که میخ های بنفش را تابش می کند، گویی در حال حرکت است.
برداشت یک هنرمند از آزمایش کوانتومی. (تخصص: دانشگاه ساوتهمپتون)

اولین تکنیکی که قادر به اندازه‌گیری کشش گرانش بر روی ذره‌ای با قطر فقط میکرون است، می‌تواند به جستجوی نظریه کوانتومی گرانش - یک هدف دیرینه در فیزیک - کمک کند. آزمایش جدید از یک دستگاه تداخل کوانتومی ابررسانا (SQUID) برای تشخیص نیروی وارد بر ذره در دماهای بسیار پایین و سرکوب ارتعاشاتی که ممکن است در حرکت به دلیل گرانش تداخل ایجاد کند، استفاده می کند.

گرانش با دیگر نیروهای بنیادی متفاوت است، زیرا به جای برهمکنش های مستقیم بین اجسام، انحنای فضا-زمان را توصیف می کند. این تفاوت تا حدی توضیح می‌دهد که چرا فیزیکدانان نظری برای مدت‌ها تلاش کرده‌اند که گرانش (همانطور که در نظریه نسبیت عام اینشتین توضیح داده شده است) را با مکانیک کوانتومی آشتی دهند. یکی از اصلی‌ترین نکات مهم این است که در حالی که دومی فضا-زمان را ثابت فرض می‌کند، اولی بیان می‌کند که در حضور اجسام عظیم تغییر می‌کند. از آنجایی که انجام آزمایش‌ها برای تعیین اینکه کدام توصیف صحیح است بسیار دشوار است، یک نظریه گرانش کوانتومی با وجود تلاش‌های نظری بسیار در زمینه‌هایی مانند نظریه ریسمان و گرانش کوانتومی حلقه دور از دسترس باقی می‌ماند.

اخراج میدانی ایالت مایسنر

در کار جدید، که در گزارش شده است پیشرفت های علمی ، فیزیکدان Tjerk Oosterkamp of دانشگاه لیدن در هلند، همراه با همکاران در دانشگاه ساوتهمپتون، انگلستان و ایتالیا موسسه فوتونیک و نانوتکنولوژی، مرز بین گرانش و مکانیک کوانتومی را با مطالعه کشش گرانش روی یک ذره مغناطیسی با جرم تنها 0.43 میلی گرم - نزدیک به مرزی که اثرات کوانتومی شروع به ظاهر شدن می کند - بررسی کرد. آنها برای انجام مطالعه خود، این ذره را در یک میدان مغناطیسی به دام انداختند که با عبور جریان از سیم هایی که در دمای کمتر از 100 میلی کلوین ابررسانا می شوند، ایجاد می شود. "چشم انداز" میدان مغناطیسی حاصل باعث می شود که ذره به دلیل یک اثر ابررسانا معروف به نام بیرون راندن میدان وضعیت مایسنر معلق شود که در آن میدان ناشی از جریان های ابررسانا کاملاً با میدان مغناطیسی خود ذره مخالف است.

هنگامی که این ذره در حال معلق شدن بود، محققان تغییرات بسیار کوچکی را در میدان مغناطیسی که هنگام حرکت آن در اطراف مرکز جرمش ایجاد می‌شود، اندازه‌گیری کردند. آنها این کار را با استفاده از یک مغناطیس سنج DC SQUID یکپارچه انجام دادند در حالی که به طور مداوم فرکانس پتانسیل به دام انداختن مغناطیسی را تنظیم می کردند. این به آنها امکان داد تا دامنه حرکت ذره را به عنوان تابعی از این تغییرات فرکانس مشخص کنند.

سرکوب ارتعاشات

محققان سپس با چرخاندن یک چرخ سنگین درست خارج از یخچال یا کرایوستات که شامل آزمایش بود، یک اختلال گرانشی ایجاد کردند. فرکانس چرخش چرخ طوری تنظیم شده بود که یکی از فرکانس های ارتعاشی ذره معلق را تحریک کند. اما قبل از اینکه بتوانند تغییرات حرکت ذره را به دلیل این اختلال گرانشی اندازه گیری کنند، Oosterkamp و همکارانش ابتدا باید مطمئن می شدند که چیزهای دیگری که می توانند حرکت ذره را تنظیم کنند - مانند ارتعاشات ناشی از کمپرسور و پمپ های مسئول خنک کردن ابررسانا - خیلی خوب سرکوب شده

Oosterkamp توضیح می دهد: "معلوم شد که این مهم ترین چالش در آزمایش ما بود، اما زمانی که ما موفق به انجام این کار شدیم، حرکت ذره ای که باقی مانده بود به قدری کوچک بود که توسط گرانش مختل شد - و ما در واقع می تواند این را اندازه گیری کند.

فشار دادن مرزها

Oosterkamp و همکاران در ابتدا قصد داشتند از کرایوستات خود برای خنک کردن و تحریک یک تشدید کننده مکانیکی استفاده کنند. Oosterkamp توضیح می دهد: "ما این کار را انجام می دادیم تا ثابت کنیم که می تواند در دو مکان به طور همزمان باشد - دقیقاً به همان شکلی که یک الکترون می تواند هنگامی که اثرات تداخلی را از طریق دو شکاف نشان می دهد باشد." از تداخل، استنباط می شود که الکترون یک موج است و از هر دو شکاف به طور همزمان عبور می کند. برای آزمایش ما، که هنوز راه زیادی در پیش دارد، ما روی جداسازی ارتعاشات برای خنک کردن یک حسگر نیرو برای مشاهده همان نوع اثر برای یک تشدیدگر مکانیکی کوچک کار کرده‌ایم.

او به خاطر می‌آورد که این آزمایش‌های اولیه آنقدر خوب پیش رفتند که از خود پرسیدند: کوچک‌ترین نیرویی که می‌توانستند بر روی ذره اعمال کنند تا حساسیت آزمایش را نشان دهند چیست؟ Oosterkamp به یاد می آورد: "وقتی متوجه شدیم که اندازه گیری های گرانشی در دسترس هستند، انگیزه خاصی پیدا کردیم."

آزمایش باید حتی حساس تر باشد

اوسترکامپ می گوید گام بعدی نزدیک کردن اثرات گرانشی و کوانتومی به یکدیگر است. توانایی اندازه‌گیری نیروی گرانش ذره‌ای که در دو مکان به طور همزمان وجود دارد بسیار مطلوب است، اما ما باید آزمایش خود را برای انجام این کار حساس‌تر کنیم و روی اجسام سنگین‌تری که اثرات کوانتومی را نشان می‌دهند - مانند برهم نهی و مثلاً درهم تنیدگی.

برای این منظور، محققان در تلاش هستند تا چرخ خارج از کرایواستات خود را با یک چرخ یا پروانه مشابه در داخل آن جایگزین کنند. اوسترکامپ می‌گوید: «به جای چرخی با بلوک‌هایی به‌اندازه کیلوگرم و در فاصله 30 سانتی‌متری حسگر، امیدواریم بتوانیم جرم‌های میلی‌گرمی را روی پروانه‌ای ایجاد کنیم که فقط یک سانتی‌متر فاصله دارد.»

این تیم همچنین در تلاش است تا ارتعاشات خارجی را در آزمایش خود حتی بیشتر جدا کرده و سیستم خود را سردتر کند. Oosterkamp می گوید: "این اقدامات می تواند حساسیت های اندازه گیری را تا 100 برابر بهبود بخشد."

تمبر زمان:

بیشتر از دنیای فیزیک