اتم روبیدیوم (Rubidium) می‌تواند مانند یک موج رفتار کند و پژوهشگران می‌توانند این موج را به دو مسیر تقسیم کنند. این ویژگی باعث می‌شود یک اتم واحد عملاً هر دو مسیر را به‌طور هم‌زمان طی کند، بدون اینکه به قطعات مختلف تقسیم شود. اکنون فیزیک‌دانان از این ویژگی استفاده کرده‌اند تا یک بخش از موج را ثابت نگه دارند و اجازه دهند بخش دیگر تحت تأثیر گرانش سقوط کند. سپس این دو بخش را دوباره به یکدیگر رساندند تا پیش‌بینی‌ای را که ریشه در نظریه گرانش اینشتین دارد، بررسی کنند.
هنگامی که دو بخش موج دوباره به یکدیگر رسیدند، پژوهشگران اختلافی را در فاز کوانتومی آن‌ها اندازه‌گیری کردند؛ فاز کوانتومی مشخص می‌کند که یک موج در کدام بخش از چرخه خود قرار دارد. این اختلاف با پیش‌بینی به‌دست‌آمده از اعمال اصل هم‌ارزی اینشتین بر یک جسم کوانتومی مطابقت داشت. این اصل می‌گوید برای ناظری که آزادانه در حال سقوط است، آثار گرانش باید در مقیاس محلی ناپدید شوند.
پژوهشگران این نتیجه را نخستین اندازه‌گیری مستقیم فاز کوانتومی پیش‌بینی‌شده برای یک جسم در حال سقوط آزاد توصیف کرده‌اند. آزمایش‌های پیشین از ذرات کوانتومی برای اندازه‌گیری گرانش استفاده کرده بودند، اما این آزمایش به‌طور مشخص یک موج اتمی در حال سقوط آزاد را با موج اتمی‌ای که در حالت ساکن نگه داشته شده بود، مقایسه کرد.
پروفسور سر راجر پنروز (Sir Roger Penrose)، فیزیک‌دان برنده جایزه نوبل، نیز از نویسندگان این مطالعه بوده است. نتایج این پژوهش در تاریخ ۲ سپتامبر در نشریه ساینس ادونسز (Science Advances) منتشر شد.
یک موج اتمی، دو مسیر متفاوت
برای انجام این مقایسه، پژوهشگران به دستگاهی به نام تداخل‌سنج کوانتومی گالیله (Quantum Galileo Interferometer) نیاز داشتند که برای جدا کردن و دوباره به هم رساندن امواج اتمی ساخته شده است. در دانشگاه بن‌گوریون، تیم آزمایش، از جمله اور دوبکوفسکی (Or Dobkowski)، دانشجوی دکتری، با ابرهایی از اتم‌های روبیدیوم کار کرد که در نزدیکی سطح یک تراشه اتمی ویژه تا دمایی اندکی بالاتر از صفر مطلق سرد شده بودند.
پالس‌های مایکروویو (microwave pulses) اتم‌ها را وارد حالت برهم‌نهی کوانتومی (quantum superposition) کردند؛ حالتی که عملاً به هر اتم اجازه می‌دهد دو مسیر را به‌طور هم‌زمان طی کند. سیم‌های الکتریکی بسیار کوچکی که روی تراشه قرار داشتند، میدان‌های مغناطیسی کاملاً کنترل‌شده‌ای ایجاد می‌کردند و به پژوهشگران اجازه می‌دادند دو بخش موج اتمی را به شکل متفاوتی دستکاری کنند.
برای بخشی از موج که قرار بود ثابت بماند، تیم پژوهشی نیروی مغناطیسی رو به بالایی اعمال کرد که دقیقاً کشش رو به پایین گرانش را خنثی می‌کرد. در نتیجه، این بخش از موج نسبت به آزمایشگاه و زمین در حالت ساکن باقی می‌ماند.
بخش دیگر موج یک فشار رو به بالای دقیقاً کنترل‌شده از سوی یک پالس مغناطیسی دریافت کرد. سپس پژوهشگران آن را به حالتی منتقل کردند که تقریباً تحت تأثیر میدان مغناطیسی قرار نمی‌گرفت و در نتیجه اجازه یافت تحت تأثیر گرانش آزادانه حرکت کند. این بخش، مانند توپی که به هوا پرتاب می‌شود، مسیری را طی کرد که ابتدا به سمت بالا می‌رفت و سپس سقوط می‌کرد.
در پایان این سقوط، یک پالس مغناطیسی دیگر دو بخش موج را دوباره به یکدیگر رساند. امواج با یکدیگر تداخل کردند و الگویی ایجاد شد که اختلاف فاز جمع‌شده در طول دو مسیر را نشان می‌داد. به این ترتیب، تیم پژوهشی توانست رفتار موج در حال سقوط آزاد را با موجی که در حالت ساکن نگه داشته شده بود، مقایسه کند.
امواج اتمی در حال سقوط با پیش‌بینی اینشتین مطابقت دارند
اصل هم‌ارزی اینشتین راهی برای درک این مقایسه فراهم می‌کند. فردی را تصور کنید که داخل آسانسوری در حال سقوط آزاد قرار دارد؛ این فرد احساس بی‌وزنی خواهد کرد، زیرا خودش و آسانسور با هم سقوط می‌کنند. اگرچه این اصل تاکنون با دقت بسیار بالایی روی ماده معمولی آزمایش شده است، بررسی آن در مورد اجسامی که مانند موج رفتار می‌کنند و می‌توانند چند مسیر را به‌طور هم‌زمان طی کنند، چالش آزمایشی متفاوتی ایجاد کرده است.
مطابقت میان فاز اندازه‌گیری‌شده و پیش‌بینی نظری نشان می‌دهد که اصل هم‌ارزی، در شرایط آزمایش‌شده، همچنان با مکانیک کوانتومی سازگار است.
پروفسور ولاتکو ودرال (Vlatko Vedral)، یکی از نویسندگان مطالعه از دپارتمان فیزیک دانشگاه آکسفورد، گفت:
ما هیچ نظریه سازگاری نداریم که توضیح دهد چرا مکانیک کوانتومی باید از کار بیفتد. این آزمایش، مکانیک کوانتومی را به یکی از جذاب‌ترین مرزهای آن، یعنی گرانش، وارد می‌کند و بار دیگر نشان می‌دهد که پیش‌بینی‌های آن پابرجا هستند.
بیش از یک قرن است که مکانیک کوانتومی و نظریه گرانش اینشتین، توصیف‌های بسیار موفقی از طبیعت در مقیاس‌های کاملاً متفاوت ارائه می‌کنند. مکانیک کوانتومی اتم‌ها و دیگر اجسام بسیار کوچک را توصیف می‌کند، در حالی که نظریه اینشتین اجسام در حال سقوط و نحوه تأثیر گرانش بر ساختار جهان را توضیح می‌دهد. با این حال، فیزیک‌دانان هنوز درک کاملی از نحوه سازگار شدن این دو نظریه با یکدیگر ندارند.
پروفسور ران فولمن (Ron Folman)، نویسنده اصلی مقاله گفت:
این مقاله از این نظر منحصربه‌فرد است که یک آزمایش دشوار را با تفسیری نظری و گسترده درباره یکی از بنیادی‌ترین پرسش‌های فیزیک ترکیب می‌کند: چگونه می‌توان گرانش، که نظریه نسبیت اینشتین آن را توصیف می‌کند، و نظریه کوانتومی را در قالب یک درک واحد از جهان با یکدیگر متحد کرد؟ این دو ستون فیزیک مدرن تاکنون از تمام تلاش‌ها برای رسیدن به یک چارچوب نظری یکپارچه گریخته‌اند، اما این آزمایش پیچیده سرنخ‌های بیشتری درباره چگونگی دستیابی به چنین وحدتی ارائه می‌کند.
آزمایش پنروز به جسم سنگین‌تری نیاز دارد
این آزمایش نه یک نظریه یکپارچه ارائه می‌کند و نه ثابت می‌کند که خود گرانش ماهیتی کوانتومی دارد. همچنین، پیشنهادی از سوی پنروز را که بر اساس آن ممکن است مکانیک کوانتومی زمانی دچار فروپاشی شود که اجسام به‌اندازه کافی سنگین برای مدت کافی طولانی در حالت برهم‌نهی کوانتومی باقی بمانند، همچنان بدون پاسخ می‌گذارد.
آزمایش انجام‌شده با اتم‌های روبیدیوم نه به جرم‌های لازم و نه به بازه‌های زمانی مورد نیاز برای آزمایش فرضیه پنروز دست یافت. تیم پژوهشی امیدوار است این روش را برای بررسی این احتمال به اجسام بسیار سنگین‌تر، از جمله نانوالماس‌ها (nanodiamonds)، گسترش دهد. آزمایشی با همین هدف هم‌اکنون در همان گروه پژوهشی در دانشگاه بن‌گوریون در حال انجام است.
منبع: Scitechdaily
