جاذبية أينشتاين اجتازت للتو اختبارًا كميًا جديدًا وغريبًا

وجدت تجربة تقارن بين موجات الروبيديوم الذرية المتساقطة والثابتة اختلافًا في الطور الكمي يتوافق مع مبدأ التكافؤ الخاص بأينشتاين.

يمكن لذرة الروبيديوم أن تتصرف كموجة يمكن للباحثين تقسيمها بين مسارين. وهذا يسمح لنفس الذرة باتباع كلا المسارين بشكل فعال في وقت واحد، دون أن تنقسم إلى أجزاء. وقد استخدم الفيزيائيون الآن هذه الخاصية لإبقاء جزء واحد من الموجة ثابتًا مع ترك الجزء الآخر يسقط تحت الجاذبية، ثم جمعهم معًا مرة أخرى للتحقق من التنبؤ المتأصل في نظرية أينشتاين للجاذبية.

عندما تم توحيد شطري الموجة، قام الباحثون بقياس الفرق في الطور الكمي الخاص بهم، والذي يصف موقع الموجة في دورتها. يتوافق هذا الاختلاف مع التنبؤ الذي تم الحصول عليه من خلال تطبيق مبدأ التكافؤ الخاص بأينشتاين على جسم كمي. ينص المبدأ على أنه بالنسبة لراصد يسقط بحرية، فإن تأثيرات الجاذبية يجب أن تختفي محليًا.

يصف الباحثون النتيجة بأنها أول قياس مباشر للمرحلة الكمومية المتوقعة لجسم يسقط سقوطًا حرًا. استخدمت تجارب سابقة الجسيمات الكمومية لقياس الجاذبية، لكن هذه التجربة قارنت على وجه التحديد بين موجة ذرية تسقط بحرية وموجة ثابتة.

قادت الدراسة جامعة بن غوريون في النقب، وجامعة أولم، وجامعة أكسفورد، وكان من بين مؤلفيها الفيزيائي الحائز على جائزة نوبل البروفيسور السير روجر بنروز. تم نشره في 2 سبتمبر تقدم العلوم.

موجة ذرية واحدة، مساران مختلفان

تطلبت المقارنة جهازًا يسمى مقياس التداخل الكمي غاليليو، والذي تم تصميمه لفصل الموجات الذرية وإعادة توحيدها. في جامعة بن غوريون، عمل الفريق التجريبي، بما في ذلك طالب الدكتوراه أور دوبكوفسكي، مع سحب من ذرات الروبيديوم المبردة إلى ما فوق الصفر المطلق بالقرب من سطح شريحة ذرية مصممة خصيصًا.

وضعت نبضات الميكروويف الذرات في حالة تراكب كمي، وهي حالة سمحت فعليًا لكل ذرة باتخاذ مسارين في وقت واحد. ولدت الأسلاك الكهربائية الصغيرة الموجودة على الشريحة مجالات مغناطيسية يتم التحكم فيها بدقة، مما سمح للباحثين بالتلاعب بجزئي الموجة الذرية بشكل مختلف.

بالنسبة للجزء الذي أرادوا الحفاظ عليه ثابتًا، طبق الفريق قوة مغناطيسية لأعلى والتي توازن تمامًا سحب الجاذبية لأسفل. أدى هذا إلى إبقاء هذا الجزء ثابتًا بالنسبة للمختبر والأرض.

تلقى الجزء الآخر دفعة لأعلى يتم التحكم فيها بعناية من نبض مغناطيسي. ثم قام الباحثون بتحويله إلى حالة لا تتأثر تقريبًا بالمجال المغناطيسي، وتركوه يتحرك بحرية تحت الجاذبية. مثل كرة ألقيت في الهواء، اتبعت مسارًا ارتفع ثم سقط.

وفي نهاية السقوط، أعادت نبضة مغناطيسية أخرى الجزأين معًا. وتداخلت موجاتها، واتحدت في نمط كشف عن اختلاف الطور المتراكم على طول المسارين. وقد أعطى هذا للفريق طريقة لمقارنة ما حدث للموجة المتساقطة بحرية مع ما حدث للموجة الثابتة.

تتطابق الموجات الذرية المتساقطة مع تنبؤات أينشتاين

ويقدم مبدأ التكافؤ لأينشتاين طريقة لفهم تلك المقارنة. سيشعر شخص ما داخل المصعد الذي يسقط سقوطًا حرًا بانعدام الوزن لأنه سيسقط هو والمصعد معًا. على الرغم من أن المبدأ قد اجتاز اختبارات دقيقة للغاية مع المادة العادية، إلا أن اختباره مع كائنات تتصرف كموجات ويمكن أن تتبع مسارات متعددة يمثل تحديًا تجريبيًا مختلفًا.

يوضح الاتفاق بين المرحلة المقاسة والتنبؤ أن المبدأ يظل متسقًا مع ميكانيكا الكم في ظل الظروف التي تم اختبارها.

قال البروفيسور فلاتكو فيدرال، أحد مؤلفي الدراسة، من قسم الفيزياء بجامعة أكسفورد: “ليس لدينا نظرية متسقة تخبرنا لماذا يجب أن تفشل فيزياء الكم. هذه التجربة تدفع ميكانيكا الكم إلى واحدة من أكثر حدودها إثارة للاهتمام، وهي الجاذبية، وتبين أن تنبؤاتها صحيحة مرة أخرى”.

لأكثر من قرن من الزمان، قدمت ميكانيكا الكم ونظرية أينشتاين في الجاذبية أوصافًا ناجحة للغاية للطبيعة على مستويات مختلفة جدًا. تصف ميكانيكا الكم الذرات والأجسام الصغيرة الأخرى، بينما تشرح نظرية أينشتاين الأجسام المتساقطة وكيف تشكل الجاذبية الكون. لا يزال الفيزيائيون يفتقرون إلى الفهم الكامل لكيفية توافق الاثنين معًا.

قال المؤلف الرئيسي البروفيسور رون فولمان، من جامعة بن غوريون في النقب: “هذه ورقة بحثية فريدة من نوعها، بمعنى أنها تجمع بين تجربة صعبة وتفسير نظري بعيد المدى، حول أحد الأسئلة الأكثر جوهرية في الفيزياء: كيف يمكن توحيد الجاذبية (الموصوفة في نظرية أينشتاين النسبية) ونظرية الكم في فهم واحد للكون؟ لقد استعصت هاتان الركيزتان للفيزياء الحديثة حتى الآن على كل المحاولات لوضع إطار نظري موحد، ولكن هذه التجربة المعقدة تعطي المزيد من التلميحات حول كيفية تحقيق هذا التوحيد.

اقتراح بنروز ينتظر اختبارًا أصعب

ولا تقدم التجربة تلك النظرية الموحدة ولا تثبت أن الجاذبية نفسها كمومية. كما أنه يترك اقتراح بنروز مفتوحًا بأن ميكانيكا الكم يمكن أن تنهار عندما تظل الأجسام الضخمة بدرجة كافية في حالة تراكب كمي لفترة كافية.

لم تصل تجربة الروبيديوم إلى الجماهير ولا إلى الجداول الزمنية اللازمة لاختبار اقتراح بنروز. ويأمل الفريق في توسيع هذه التقنية لتشمل أجسامًا أثقل بكثير، بما في ذلك الماس النانوي، للتحقيق في هذا الاحتمال. وتجري بالفعل تجربة تسعى لتحقيق هذا الهدف في نفس المجموعة في جامعة بن غوريون.

المرجع: “ملاحظة المرحلة الكمومية للسقوط الحر والاتساق مع مبدأ التكافؤ” بقلم أور دوبكوفسكي، وباراك تروك، وبيتر سكاكونينكو، ويوناثان جافا، وديفيد غروسواسر، ومكسيم إفريموف، وكيارا مارليتو، وإيفيت فوينتيس غوريدي، وروجر بنروز، وفلاتكو فيدرال، وولفغانغ بي شلايش، ورون فولمان، 2 سبتمبر 2026، تقدم العلوم.
دوى: 10.1126/sciadv.aec8045

تم تمويل هذا العمل، جزئياً، من قبل مؤسسة العلوم الإسرائيلية (المنح رقم 856/18، 1314/19، 3515/20، و3470/21) ومشروع DIP الألماني الإسرائيلي (الأجهزة الهجينة: FO 703/2-1) بدعم من DFG. تم دعم هذا العمل من خلال برنامج “تجارب الطاولة للفيزياء الأساسية”، الذي ترعاه مؤسسة جوردون وبيتي مور، ومؤسسة سيمونز، ومؤسسة ألفريد بي سلون، ومؤسسة جون تمبلتون. تشكر IFG فاعل خير أمريكي مجهول، J. Moussouris، J. Westergren، وشبكة Emmy Network للحصول على الدعم وتمويل الأبحاث.

لا تفوت أي اختراق: انضم إلى النشرة الإخبارية SciTechDaily.
تابعونا على جوجل و أخبار جوجل.