ساعت های اتمی می توانند تعامل میان نسبیت انیشتین و مکانیک کوانتومی را آشکار کنند
ساعت های اتمی می توانند تعامل میان نسبیت انیشتین و مکانیک کوانتومی را آشکار کنند
پیدا کردن راهی برای سازگاری میان نظریه نسبیت عام انیشتین و مکانیک کوانتومی، یکی از بزرگترین چالشهای علم فیزیک محسوب میشود که همچنان پاسخی قطعی برای آن وجود ندارد. اما اکنون، پژوهشی جدید به سرپرستی آنجون چو و همکارانش، به بررسی نحوه بروز معادله معروف $E=mc^2$ (همارزی جرم و انرژی) از طریق اثرات گرانشی در ساعتهای شبکه نوری و تعامل آن با پدیدههای کوانتومی مانند درهمتنیدگی پرداخته است.
چو در بیانیهای مطبوعاتی گفت: «ما میدانستیم که گرانش چگونه بر زمان تأثیر میگذارد و مکانیک کوانتومی چگونه رفتار اتمها را تعیین میکند، اما دیدن تعامل این دو در یک محیط قابلکنترل، یک انقلاب در علم است.»
ساعتهای اتمی؛ دقیقترین زمانسنجهای جهان
برای مطالعه این تعامل، پژوهشگران از ساعتهای شبکه نوری استفاده کردند که دقیقترین زمانسنجهای ساخته شده تاکنون به شمار میروند. آنها هزاران اتم استرانسیوم را به صورت عمودی در شبکههایی از نور لیزری به دام انداختند.
ساعتهای اتمی بر اساس فرکانس پایدار انتقال الکترونها بین سطوح انرژی مختلف در اتمها عمل میکنند. شمارش این نوسانات به ساعتهای اتمی اجازه میدهد که زمان را با دقتی بسیار بالا اندازهگیری کنند.
دو اثر مهم در این آزمایش به چشم میخورد که مستقیماً با همارزی جرم و انرژی انیشتین مرتبط است:
- انتقال به سرخ گرانشی: این پدیده باعث میشود که اتمها در ارتفاعات مختلف، زمان را با سرعتهای متفاوتی تجربه کنند، چرا که گرانش برای اتمهای بالاتر کمی ضعیفتر است.
- انتقال داپلر مرتبه دوم: این اثر باعث ایجاد تغییرات بسیار کوچکی در فرکانس اتمها میشود، زمانی که آنها حرکت میکنند.
همگامسازی کوانتومی و تعاملات فوتونی میان اتمها
پژوهشگران برای بررسی تعاملات میان گرانش و مکانیک کوانتومی، راهی پیدا کردند تا اتمها بتوانند با یکدیگر ارتباط برقرار کنند. آنها اتمها را در یک حفره نوری، که اتاقکی با آینههای بسیار بازتابی است، قرار دادند. این روش به اتمها اجازه میدهد تا با تبادل فوتونها، که ذرات نور هستند، تعاملات کوانتومی را تجربه کنند؛ تعاملاتی که به طور معمول به صورت مستقل انجام میپذیرفت.
این تبادل فوتونها باعث شد که اتمها، علیرغم اختلافات زمانی ناشی از گرانش، زمانسنجی خود را همگامسازی کنند. جون یه، یکی از نویسندگان مقاله، گفت: «این شبیه به آن است که چگونه پاندولهای ساعتی که روی یک دیوار آویزان شدهاند، در نهایت به صورت هماهنگ نوسان میکنند. اما در اینجا، این اتمها هستند که اطلاعات کوانتومی را در حالی تبادل میکنند که نرخهای زمانی متفاوتی را به دلیل گرانش تجربه میکنند.»
پدیده درهمتنیدگی کوانتومی در اثر همگامسازی اتمها
این همگامسازی باعث بروز پدیده درهمتنیدگی کوانتومی میان اتمها شد؛ پدیدهای که انیشتین آن را به عنوان «عمل شبحوار از راه دور» توصیف کرده بود. درهمتنیدگی به این معناست که دو ذره میتوانند حتی با فاصلههای بسیار زیاد، به طور آنی به یکدیگر وابسته باشند.
پژوهشگران نشان دادند که مدت زمانی که طول میکشد تا اتمها همگام شوند، میتواند اطلاعاتی درباره میزان درهمتنیدگی سامانه ارائه دهد. این کشف میتواند راههای جدیدی برای بهرهبرداری از خواص کوانتومی در اندازهگیریهای بسیار دقیق باز کند.
روش «پوششدهی» برای تفکیک اثرات واقعی گرانشی
برای اطمینان از این که اثرات مشاهده شده واقعاً ناشی از گرانش هستند و نه عوامل دیگری مانند میدانهای مغناطیسی، دانشمندان از روشی به نام «پوششدهی» استفاده کردند. آنها با استفاده از لیزرهای خاص، توانستند شدت اثرات گرانشی بر اتمها را تنظیم کنند. این روش به آنها اجازه داد تا به طور شفاف تأیید کنند که اثرات مشاهده شده واقعاً از نظریه نسبیت انیشتین نشأت گرفتهاند، نه از خطاهای آزمایشگاهی.
کاربردهای فراتر از فیزیک بنیادی
درک این اثرات میتواند کاربردهایی فراتر از فیزیک بنیادی داشته باشد. برای مثال، میتواند به توسعه فناوریهای زمانسنجی دقیقتر منجر شود که در سیستمهای ناوبری GPS، شناسایی منابع زیرزمینی و حتی جستجوی ماده تاریک قابل استفاده هستند.
پژوهشگران اکنون در تلاشاند تا پروتکلهای نظری خود را در ساعتهای شبکه نوری واقعی پیادهسازی کنند و امیدوارند که در سالهای آینده بتوانند این تعاملات کوانتومی-نسبیتی را به طور مستقیم مشاهده کنند.
منبع خبر: interestingengineering.com
خبرا های مرتبط با علم و فناوری:
