در آزمایشی که اثرات گرانشی را در مقیاس کوانتومی اندازه‌گیری می‌کند، هیچ اثری از انحراف از قوانین نیوتن یافت نشده است.

انحراف از قوانین گرانش نیوتن با کمک نوترون‌های تولید شده در یک راکتور هسته‌ای در فرانسه مورد مطالعه قرار گرفته است.

زمانی که یک توپ تنیس پس از برخورد با سطح زمین برمی‌گردد، تصور می‌شود که این حرکت هموار است؛ اما در واقع این توپ به طور پیوسته بین حالت‌های کوانتومی نزدیک به همِ انرژی گرانشی تغییر مسیر می‌دهد. اکنون فیزیک‌پیشگان این انتقال‌ها را با کمک نوترون‌های فراسرد برای سنجش قوانین گرانش در مقیاسی که تاکنون مورد مطالعه قرار نگرفته بود، بررسی کرده‌اند.

برای تمام اجسام و در طی فواصل کوتاه، نیروی گرانشی بر طبق فیزیک نیوتنی یا نظریه‌ی نسبیت عام به یک قانون ساده منتهی می‌شود: انرژی گرانشی با ارتفاع نسبت مستقیم دارد و توپ‌های تنیس که بالا و پایین می‌روند، مسیر یک سهمی را دنبال می‌کنند. برای ذره‌ی مقیدی که رفتار کوانتومی دارد مانند نوترون‌ها، این انرژی همچنان با ارتفاع متناسب است اما تنها در سطوح خاصی می‌تواند وجود داشته باشد، نه به طور پیوستار [1]. بر طبق برخی از توضیحات برای ماده و انرژی تاریک، در صورتی که تنها نیروی گرانش عمل کند، انحراف نامحسوسی در برخی از این سطوح می‌تواند وجود داشته باشد.

اکنون گروهی به سرپرستی هارتموت ابل (Hartmut Abele) از دانشگاه صنعتی وینا در Physical Review Letters [2] نشان داده‌اند که قوانین عادی گرانش در مقیاس چندین میکرومتری همچنان برقرار هستند. این پژوهشگران سطوح انرژی گرانشی کوانتیده را با دقتی 100,000 بار بهتر از آزمایش‌های قبلی اندازه‌گیری کرده‌اند [3].

این دقت جهت بررسی برخی توضیحات پیشنهادی برای انرژی تاریک کافی است؛ نیروی ناشناخته‌ای که به نظر می‌رسد انبساط جهان را شتاب می‌بخشد. برخی از مدل‌های انرژی تاریک محدودیت‌هایی بر نوع خاصی از نیروهای گرانش‌مانند قرار می‌دهند که به طور نامحسوس می‌توانند سطوح کوانتومی را در این مقیاس میکرومتری مختل کند.

برگشت نوترون‌ها

این گروه برای بدست آوردن نوترون‌هایی با حالت‌های انرژی گرانشی کوانتیده، از یک راکتور هسته‌ای کمک گرفته اند که نوترون‌هایی با سرعت 2200 متر بر ثانیه تولید می‌کند [4]. سپس سرعت آن‌ها را به کمتر از 7 متر بر ثانیه کاهش می‌دهند و نوترون‌ها تا حدی سرد سازی می‌شوند که قبل از آنکه بین دو صفحه‌ی افقی جابجا شوند، به دمایی حدود یک درجه بالای صفر مطلق برسند.

نوترون‌ها از صفحه‌ی پایین‌تر که بسیار صیقلی است، برمی‌گردند در حالی که صفحه‌ی بالایی جاذبی است که نوترون‌های دارای بیشترین انرژی را حذف می‌کند تا تنها نوترون‌هایی با پایین‌ترین حالت‌های کوانتومی باقی بمانند. بنا به گفته‌ی پیتر گلتنبورگ (Peter Geltenbort) از موسسه‌ی ILL در فرانسه، نوترون‌ها برای چنین آزمایش‌هایی ایده‌آل هستند زیرا قطبش الکترونیکی ضعیفی دارند و نمی‌توانند بار الکتریکی حمل کنند. او می‌گوید: «آن‌ها تنها جاذبه را احساس می‌کنند.»

در تازه‌ترین آزمایش، این گروه از یک بلور پیزوالکتریک برای لرزاندن آینه در بسامد مناسب، که به نوترون‌ها انرژی کافی برای رفتن به سطوح بالاتر را می‌دهد، استفاده کرده‌ است. ضربه بسته به تفاوت انرژی بین سطوح مورد نیاز می‌باشد که به ارتفاع و بنابراین کشش گرانش بین زمین و آن بستگی دارد. گلتنبورگ می‌گوید: «با اندازه‌گیری بسامد این ارتعاش، شما می‌توانید گرانش را در گستره‌ی میکرومتر تا میلیمتر با دقت بسیار بالا اندازه‌گیری کنید.»

آن‌ها دریافتند که سطوح انرژی نوترون‌ها به گونه‌ای است که انگار تنها تحت تاثیر گرانش قرار دارند و این در حالی است که اندازه‌گیری آن‌ها در مقیاسی صد هزار بار کوچکتر از آزمایش‌های قبلی انجام شده است. این، محدودیت‌هایی بر نیروهای نامتعارفی قرار می‌دهد که برخی پیش‌بینی می‌کنند در چنین مقیاس‌های کوچکی مشاهده ‌می‌شوند.

نتایج این گروه محدودیت‌هایی بر میزان قدرت این نیروها نظیر «انرژی تاریک کامیلیون » قرار می‌دهد. این نتایج همچنین قیودی بر ویژگی‌های ماده‌ی تاریک قرار می‌دهد؛ ماده‌ای که به نظر می‌رسد 85% جهان را تشکیل داده اما جز هنگام کشش گرانشی آن در مقیاس کیهانی قابل آشکارسازی نیست. عدم تاثیر آکسیون‌ها در این مطالعه، ذرات بسیار سبک فرضی که انحراف از قانون گرانش در فواصل کوتاه را نشان می‌دهد، چگونگی قدرت چنین برهمکنش‌هایی را محدود می‌کند.

روش جدید می‌تواند در تعیین ترکیب اجسام کهکشانی دوردست گرفته تا ساعت‌های اتمی کاربرد داشته باشد.

منبع: Bouncing neutrons probe dark energy on a table-top

مرجع‌ها

1Nesvizhevsky, V. V. et al. Nature 415, 297–299 2002.

2Jenke, T. et al. Phys. Rev. Lett. 112, 151105 2014.

3Adelberger, E. G. et al. Prog. Part. Nucl. Phys. 62, 102–134 2009.

4Jenke, T. et al. Nature Phys. 7, 468–472 2011.