هل سبق لك أن تساءلت عن أكبر تحديات الفيزياء الحديثة؟ 🤔 ربما يكون الاختلاف بين النسبية العامة والميكانيكا الكمومية هو الإجابة. لقد حير هذا الاختلاف العلماء لعقود، رغم وجود بعض النظريات المُحتملة لحلّه، إلا أن الأدلة التجريبية قليلة. ولكن، منحة جديدة لمعهد ناسا للمفاهيم المتقدمة قد تُغير ذلك!

سليم شاهريار من جامعة نورث وسترن، إيفانستون، حصل على تمويل للعمل على مشروع “القياس الفضائي المُتناهي الدقة للتوقيع المُكافئ لمبدأ الجاذبية الكمومية (SUPREME-GQ)”. يأمل هذا المشروع في جمع بيانات تجريبية دقيقة حول هذا الموضوع، وربما ينهي هذا اللغز العلمي المعقد!

تجربة SUPREME-GQ معقدة نوعًا ما. ستستخدم منصة فضائية مُحسّنًا مُشابكًا كمومياً ونظم تحديد مواقع دقيقة. لكن كيف ستساعدنا هذه التقنيات في اختبار الجاذبية الكمومية؟ دعونا نلقي نظرة على مبدأ التكافؤ.

مبدأ التكافؤ، من أهم مبادئ النسبية العامة، ينص على أن الجاذبية والتسارع متماثلان. وهو أساس النسبية العامة التي تعالج الجاذبية كمنحنى في الزمكان بدلاً من قوة. لكن نظريات الجاذبية الكمومية تتوقع انحرافًا عن هذا التكافؤ على نطاقاتٍ دقيقة جدًا، عندما تبدأ الميكانيكا الكمومية بالسيطرة.

يُعبّر الفيزيائيون عن هذا الانحراف باستخدام معامل أوتوفوس، والذي يُظهر مدى تقارب الكتلة الجاذبية والكتلة القصورية. في النسبية العامة، يجب أن يكونا متساويين. ولكن، في بعض نظريات الجاذبية الكمومية، يتوقع وجود اختلاف بينهما، يُعبّر عنه بقيمة غير صفريَّة لمعامل أوتوفوس.

تم اختبار معامل أوتوفوس حتى 10^-15 بواسطة تجربة MICROSCOPE. لكن هذه التجربة لم تكن دقيقة بما يكفي لقياس مستوى 10^-18، الذي تتوقعه نظريات مثل نظرية الأوتار. هذا هو حيث يأتي دور الدكتور شاهريار وفريقه. يهدف مشروعهم إلى تطوير منصة فضائية دقيقة باستخدام مقاييس التداخل الذرية لقياس معامل أوتوفوس بدقة تصل إلى 10^-20. سيكون هذا قياسًا فائق الدقة.

ستستخدم هذه المنصة مقاييس التداخل الذرية لتحديد قيمة المعلمة بدقة 10^-20، وهذا سيُمكنهم من إثبات أو دحض بعض نظريات الجاذبية الكمومية. ستكون هذه ذرات الروبيديوم في هذه التجربة. ولكن، كيف سيحدث هذا؟

يُعد فهم كيفية استخدام التشابك الكمي في مقاييس التداخل الذرية أمرًا بالغ الأهمية. ستقوم مقاييس التداخل الذرية بتقسيم شعاع من الذرات إلى مسارات منفصلة باستخدام الليزر، وفي هذه التجربة، ستكون الذرات عبارة عن ذرات روبيديوم. بعد انقسامها، إذا لم تُلاحظ، تدخل في حالة مكافئة لتجربة القطة الشهيرة لشرودنجر في ميكانيكا الكم.

طور فريقه “بروتوكول الضغط المُعمم للصدى”، والذي يسمح بالحفاظ على الحالة الكمومية المتشابكة لفترات طويلة. هذا سيتيح قياسات دقيقة لاختلافات بين الحالتين عند جمعها، وقد تؤدي هذه الاختلافات إلى قياس دقيق للغاية لمعامل أوتوفوس.

يمكن استخدام هذه التكنولوجيا، التي أطلق عليها الفريق اسم “مُداخلات ذرية لقطة شرودنجر” (SCAI)، في تطبيقات على سطح الأرض أيضًا. قد تكون أكثر دقةً بألوفٍ من المرات من مُسارعِات القياس أو الجيروسكوبات التقليدية. ولكن، لا يزال هناك الكثير من العمل ليتم إنجازه.

إذا نجح الفريق في إنشاء SCAI وظيفيٍّ في الفضاء، فسوف نكون أقرب قليلاً إلى فهم أحد أكبر المشاكل في الفيزياء الحديثة.

للمزيد من المعلومات:

• قياس فائق الدقة في الفضاء للتوقيع على مبدأ التكافؤ في الجاذبية الكمومية (ناسا)
• مقالات علمية أخرى (يوتاه)

المصدر: المصدر