فيزياء الكم تحقق قفزة صغيرة من خلال قياس الجاذبية المجهرية | الفيزياء

اكتشف العلماء قوة الجاذبية على المستوى المجهري في إنجاز يضع الأساس لسبر طبيعته في عالم الكم الغامض.

في تجربة شملت جهازًا متطورًا فائق التوصيل يتم تبريده إلى درجة الصفر المطلق، وأوزان نحاسية ملتصقة بعجلة دراجة كهربائية، سجل الفيزيائيون قوة جذب ضئيلة تبلغ 30 كوينتيليون من النيوتن على جسيم يقل عرضه عن المليمتر.

يمهد هذا العرض الطريق للعمل المستقبلي الذي يهدف فيه الباحثون إلى قياس الجاذبية الناتجة عن جسيمات أصغر من أي وقت مضى لفهم كيفية تصرف القوة غير العادية في العالم دون الذري حيث تهيمن القواعد الكمومية.

قال تيم فوكس، فيزيائي تجريبي ما بعد الدكتوراه في جامعة ساوثهامبتون: “نحن نعلم أن ميكانيكا الكم والنسبية العامة، نظرية الجاذبية لأينشتاين، لا يمكن التوفيق بينهما كما نقوم بصياغتهما الآن”. “إن النظريات لا تعمل معًا، لذلك نحن نعلم أن شيئًا ما يجب أن يعطي، أو يجب أن يعطي كليهما. وهذه محاولة لملء الفجوات بالتجارب الفعلية.

لأكثر من قرن من الزمان، حاول الفيزيائيون وفشلوا في الجمع بين الجاذبية، التي تصف كيف تحني الكتلة الزمكان، ونظرية الكم، وقواعد العالم دون الذري. إن فهم الجاذبية على المستوى الكمي يمكن أن يساعد في حل بعض الألغاز الكبرى للكون، بدءًا من كيفية بداية كل شيء وحتى ما يحدث داخل الثقوب السوداء. لكن بينما توصل المنظرون إلى مجموعة كبيرة من الأفكار الواعدة، فقد ثبت أنه من الصعب تصميم تجارب لمعرفة أي التجارب اختارتها الطبيعة، إن وجدت.

في أحدث عمل، توصل فوكس وزملاؤه في جامعة ليدن في هولندا، ومعهد الضوئيات وتقنيات النانو في إيطاليا، إلى طريقة لقياس قوى الجاذبية الدقيقة للغاية الموجودة بين الأجسام الصغيرة.

وتركزت التجربة، التي كانت محمية بشكل كبير ضد التداخل من الاهتزازات، على جسيم مغناطيسي تم رفعه فوق موصل فائق يتم تبريده إلى جزء من مائة من الدرجة فوق الصفر المطلق، أو -273.15 درجة مئوية، وهي أبرد درجة حرارة ممكنة في الكون. تم بعد ذلك قياس السحب الضئيل تقريبًا على الجسيم العائم من خلال عجلة دراجة كهربائية مزودة بأوزان نحاسية تدور على بعد متر تقريبًا، مما يجعل الأوزان قريبة من الجسيم ثم تعود مرة أخرى.

“عندما تبدأ بتدوير العجلة، فإن ذلك يتسبب في تحرك الجسيم، تمامًا مثل الأرجوحة. قال فوكس: “إن قوة الجاذبية تسحبه، ثم تبدأ في تركه، ثم تسحبه مرة أخرى”.

تعتمد قوة الجاذبية بين جسمين على كتلتهما والمسافة بينهما. كلما كانت أكبر وأقرب، كلما كان الجذب أقوى.

في كتابتهم في Science Advances، يصف الفيزيائيون كيف تم سحب الجسيم الذي يبلغ وزنه نصف مليجرام بلطف بواسطة قوة تبلغ 30 أتونيوتون في تجربتهم. الأتونيوتن هو جزء من مليار من مليار من النيوتن. وقال فوكس لصحيفة الغارديان: “إنها بالتأكيد ليست الجاذبية الكمية بعد، لكنها نقطة انطلاق نحوها”.

وبعد أن أثبتوا أن المعدات تعمل، يأمل الباحثون الآن في قياس كيفية تصرف الجاذبية بين الجسيمات الأصغر والأصغر التي تتأثر بشكل متزايد بقواعد ميكانيكا الكم. لكن ذلك سيستغرق بعض الوقت: يعتقد فوكس أن القياسات الأولى من هذا النوع قد تستغرق من خمس إلى عشر سنوات أخرى. وقال: “هذا شيء نحتاج بالتأكيد إلى التحقق منه من خلال التجارب”.