دانشمندان ارتباط بین گرانش و برهم‌نهی کوانتومی را آزمایش کرده‌اند

به گزارش مجله خبری نگار، فیزیکدانان این فرضیه را که نوسانات گرانشی در فضازمان می‌تواند برهم‌نهی کوانتومی را از بین ببرد، آزمایش کرده‌اند و توضیح داده‌اند که چرا اجسام بزرگ مانند ذرات رفتار نمی‌کنند. آزمایشی در آزمایشگاه زیرزمینی گرن ساسو نتوانست تابش پیش‌بینی‌شده را شناسایی کند. ایزوستیا گزارش می‌دهد که چرا این نتیجه یک نظریه ناهمدوسی کوانتومی را محدود می‌کند.

چگونه گرانش با ناپدید شدن اثرات کوانتومی مرتبط بود

مکانیک کوانتومی به ذرات اجازه می‌دهد تا در حالت برهم‌نهی - ترکیبی از چندین حالت ممکن به طور همزمان - وجود داشته باشند. با این حال، در دنیای ماکروسکوپی آشنا، چنین رفتاری مشاهده نمی‌شود. فرآیندی که طی آن اثرات کوانتومی ناپدید می‌شوند، ناهمدوسی نامیده می‌شود.

یک فرضیه نشان می‌دهد که خود گرانش ممکن است در این امر دخیل باشد. در دهه ۱۹۶۰، فیزیکدان مجارستانی، فریگیس کارولیهازی، مدلی را پیشنهاد کرد که بر اساس آن، فضازمان نوسانات کوچک اجتناب‌ناپذیری را تجربه می‌کند - هرگونه انحراف تصادفی هر کمیتی از مقدار میانگین یا تعادل آن. این نوسانات به نوبه خود می‌توانند به تدریج برهم‌نهی‌های کوانتومی را از بین ببرند.

این ایده بعد‌ها توسط محققان دیگر توسعه داده و اصلاح شد. هدف این مطالعه جدید، آزمایش تجربی یک نسخه تعمیم‌یافته از مدل کارولیهازی بود. این مطالعه در مجله جدید فیزیک منتشر شد.

نوسانات فضا-زمان پیشنهادی را نمی‌توان مستقیماً تشخیص داد. با این حال، نظریه، اثر غیرمستقیم آنها را پیش‌بینی می‌کند: آنها باید باعث شوند ذرات باردار الکتریکی به طور تصادفی حرکت کرده و شتاب بگیرند. این امر باید منجر به تولید تابش الکترومغناطیسی بسیار ضعیف شود.

برای شناسایی چنین سیگنالی، محققان آزمایشی را در آزمایشگاه ملی گران ساسو در ایتالیا انجام دادند. این آزمایشگاه در زیر ۱.۴ کیلومتر سنگ واقع شده است که تجهیزات را از بخش قابل توجهی از تابش پس‌زمینه، از جمله پرتو‌های کیهانی، محافظت می‌کند.

محافظت طبیعی که این سنگ فراهم می‌کند، یکی از آرام‌ترین محیط‌های روی زمین را برای تشخیص پدیده‌های فیزیکی بسیار نادر ایجاد می‌کند.

اندازه‌گیری‌ها با استفاده از یک آشکارساز با کریستال ژرمانیوم با خلوص بالا، تقریباً به اندازه یک لیوان قهوه، انجام شد. این آشکارساز علاوه بر این با لایه‌هایی از مس و سرب محافظت می‌شد. داده‌ها به مدت ۶۲ روز جمع‌آوری شدند، پس از آن پس‌زمینه مورد انتظار از نتایج حذف شد و سیگنال باقی‌مانده با پیش‌بینی‌های مدل کارولیهازی مقایسه شد.

چرا فیزیکدانان سیگنال مورد انتظار را تشخیص ندادند؟

پس از پردازش داده‌ها، محققان تابش پیش‌بینی‌شده توسط مدل مورد آزمایش را تشخیص ندادند. بنابراین، آزمایش این فرضیه را که نوسانات گرانشی توصیف‌شده در مدل منجر به اثر مشاهده‌شده می‌شود، تأیید نکرد.

عدم وجود سیگنال به این معنی نیست که گرانش کاملاً با ناهمدوسی کوانتومی بی‌ارتباط است. این نتیجه، نسخه خاصی از مکانیسم ارائه شده توسط مدل کارولیهازی را رد می‌کند و محدودیت‌های سخت‌تری را بر چنین نظریه‌هایی اعمال می‌کند. به گفته محققان، عدم وجود سیگنال مورد انتظار، خود یک نتیجه قابل توجه است. اکنون فیزیکدانان باید به دنبال توضیحات دیگری برای رابطه بین مکانیک کوانتومی و گرانش باشند.

با رد یکی از قدیمی‌ترین و طبیعی‌ترین مدل‌های ناهمدوسی القا شده توسط گرانش، این کار جستجوی نظریه‌ای را که تعامل بین گرانش و مکانیک کوانتومی را توصیف می‌کند، محدودتر می‌کند و ما را یک قدم به درک یکی از عمیق‌ترین اسرار فیزیک بنیادی نزدیک‌تر می‌کند.

چه چیزی در آزمایش در جستجوی گرانش کوانتومی تغییر می‌کند؟

مدل کارولیهازی بر اساس فرض یک محدودیت اساسی در دقت تعیین موقعیت یک جسم یا اندازه‌گیری فاصله آن بنا شده است. ایده‌های مشابهی در مورد حداقل طول‌ها در رویکرد‌های دیگر برای وحدت مکانیک کوانتومی با گرانش، از جمله نظریه ریسمان و گرانش کوانتومی حلقه، مطرح می‌شود.

نویسندگان این مطالعه خاطرنشان می‌کنند که آزمایش‌ها در حال حاضر به آنها اجازه می‌دهند برخی از پیش‌بینی‌های نظریه‌هایی را که قبلاً عملاً برای مشاهده غیرقابل دسترس تلقی می‌شدند، آزمایش کنند. افزایش حساسیت دستگاه‌های اندازه‌گیری می‌تواند قابلیت‌های چنین آزمایش‌هایی را گسترش دهد.

هر رویکردی به گرانش کوانتومی در نهایت به پیش‌بینی وجود یک طول حداقلی منجر می‌شود، که به دلیل عدم قطعیت در اندازه‌گیری فضازمان است.

بنابراین، این کار مسئله ماهیت ناهمدوسی کوانتومی را حل نمی‌کند، اما به ما اجازه می‌دهد تا یک توضیح احتمالی را رد کنیم. گام بعدی آزمایش مدل‌های دیگری خواهد بود که اثرات کوانتومی را به ویژگی‌های بنیادی فضازمان مرتبط می‌کنند.