هل تساءلت يومًا عن أكبر تحدٍّ في الفيزياء الحديثة؟ ربما يكون الاختلاف بين النسبية العامة والميكانيكا الكمّية هو الجواب! هذا التباين مُربكٌ لعقودٍ من الزمن. ولحسن الحظ، هناك من يعمل على حلّه! مشروعٌ جديدٌ ممولٌ من معهد ناسا للمفاهيم المتقدمة، بقيادة سليم شاهريار من جامعة نورث وسترن، يهدف إلى استخدام القياس الفضائي فوق الدقة لاختبار مبدأ التكافؤ للجاذبية الكمومية (SUPREME-GQ). نتمنى أن يجلبوا لنا أخيرًا بعض البيانات التجريبية حول هذا الموضوع المُثير!

تبدو التجربة معقدة، أليس كذلك؟ ستستخدم منصة فضائية مُجهزة بمستشعر مُتشابك كمّيًا ونظم تحديد مواقع دقيقة. لكن لماذا هذا مهم لاختبار الجاذبية الكمّية؟ دعونا نلقي نظرةً على مبدأ التكافؤ.

ينص مبدأ التكافؤ على أن الجاذبية والتسارع متماثلان. هذا هو جوهر النسبية العامة، التي تعتبر الجاذبية منحنى في الزمكان بدلًا من قوة. لكن بعض نظريات الجاذبية الكمّية تتوقع اختلافًا عن هذا التكافؤ في نطاقاتٍ دقيقةٍ – حيث تبدأ الميكانيكا الكمّية بالسيطرة.

لقياس هذا الاختلاف، يستخدم الفيزيائيون معامل أوتفوس. هذا المعامل يقيس التشابه بين الكتلة الجاذبية والكتلة القصورية. في النسبية العامة، يجب أن يكونا متساويين. لكن، مع اقترابنا من عالم الميكانيكا الكمّية، تبدأ بعض النظريات التي تُزعم أنها تقدّم نظريةً للجاذبية الكمومية برؤية اختلافٍ بينهما، يُمثّلُهُ قيمةٌ غيرُ صفريّةٍ لمعاملِ أوتفوس.

تمّ اختبار قيمة معامل أوتفوس حتى حوالي 10^-15 بواسطة تجربة MICROSCOPE. نُشِرَ التقرير في عام 2022، وهو يُعدّ أَدق قياس حتى اليوم. لكن تجربة MICROSCOPE استخدمت مقاييس التسارع التقليدية. وهذا، رغم أنه كان أكثر دقةً من القياسات الأرضية بمئات المرات، لم يكن دقيقًا بما يكفي لقياس مستوى 10^-18 الذي تتوقعه بعض النظريات، مثل نظرية الأوتار.

يُقدّم الدكتور شاهريار وفريقه حلًّا جديدًا. هدفهم هو تطوير منصة فضائية تستخدم مقاييس تداخل الذرات لتحديد قيمة هذا المعامل بدقةٍ تصل إلى 10^-20، مما قد يُثبت أو يُدحض بعض النظريات. ولكن هذا يحتاج إلى الكثير من العمل التحضيريّ.

تُستخدم مقاييس تداخل الذرات باستخدام الطبيعة المزدوجة للذرات (الموجة والجسيم) وتقسيم شعاع من الذرات إلى مسارات منفصلة باستخدام الليزر. في تجربة الدكتور شاهريار، ستكون الذرات روبيديوم. بعد انقسامها، إذا لم تُلاحظ، تدخل في حالة مكافئة لتجربة القطة الشهيرة لشرودنجر في ميكانيكا الكم.

لم يُسبق لأحد أن أنشأ مثل هذه الحالة الميكانيكية الكمّية من قبل! طوّر الفريق “بروتوكول الضغط الصوتي المُعمّم” لحفظ الحالة المتشابكة الكمّية لفتراتٍ طويلة. قد تؤدي هذه الفروقات إلى قياس دقيق للغاية لمعامل أوتفوس.

يمكن استخدام التكنولوجيا الأساسية (SCAI) لتطبيقاتٍ أرضيّةٍ أيضًا. إذا نجح الفريق، ستكون هذه المستشعرات أكثر دقةً بألف مرة من مقاييس التسارع أو الجيروسكوب التقليدية، المستخدمة في أنظمة التوجيه، الملاحة، والسيارات.

لا يزال هناك عملٌ هائلٌ لإثبات إمكانية تنفيذ هذه التكنولوجيا في العالم الواقعي. لكن إذا نجح الدكتور شاهريار وفريقه، فسنكون أقرب إلى حلّ واحد من أعقد الألغاز في الفيزياء الحديثة 🧑‍🔬🔭.