اندازه‌گیری نیروی جز و مدی بر روی اتم‌ها

فیزیک‌دانان از روش تداخل‌سنجی استفاده کرده‌اند تا نیروهای جز و مدی جزئی را بر روی اتم‌های انفرادیِ در معرض یک میدان گرانشی محلی اشکارسازی کنند. این‌کار ‌به آنان اجازه می‌دهد تا انحنای فضا-زمان را در یک مقیاس بسیار کوچک اندازه گرفته‌ و آن‌طور که استدلال می‌کنند، مشاهدات آنان شاید «اولین مشاهده‌ی گرانش در یک سیستم مکانیک کوانتومی» باشد. به زعم آنان تجهیزات حساس آن‌ها می‌تواند اکتشاف نفت و مواد معدنی را نیز بهبود بخشد.

نیروهای جز و مدی از اندازه‌ی محدود اشیاء گرانشی ناشی می‌شود. وقتی یک جسم از طرف جسم دیگری جذب می‌شود، نیروی جاذبه‌ی بزرگ‌تری را در طرفی که به جسم دوم نزدیک‌تر است بیش‌تر از طرف دیگر که دورتر است، تجربه می‌کند. در مورد زمین، نزدیک‌ترین اقیانوس‌ها به ماه اندکی بیشتر به همسایه‌ی آسمانی ما نسبت به اقیانوس‌هایی که در طرف دورتر زمین قرار دارند، جذب می‌شوند و سبب می‌شود تا اقیانوس‌های نزدیک‌تر برآمدگی اندکی پیدا کرده و یک جز و مد بلند ایجاد شود.

در آخرین پژوهشی که در این راستا انجام شده، مارک کاسِویچ (Mark Kasevich ) از دانشگاه استانفورد در ایالات متحده و همکارانش، نیروهای جز و مدی ناچیزی که در اثر قرارگیری در حضور یک شی پرجرم برای تک‌اتم‌ها ایجاد می‌شود را اندازه گرفته‌اند. آن‌ها این کار را به منظور مطالعه‌ی انحنای فضا-زمان بر روی توابع موج اتم‌ها (نیروهای جز و مدی که مستقیماً به این انحنا مرتبط هستند) انجام داده‌اند؛ با این ایده که گرانش می‌تواند به طرز قابل تصوری همدوسیِ کوانتومی را از بین ببرد.

دوگانگیِ موج-ذره

این تیم از یک تداخل‌سنج اتمی استفاده کرده‌اند؛ وسیله‌ای که از اصلِ دوگانگی موج-ذره، برای انجام اندازه‌گیری‌های بسیار دقیق از شتاب، بهره می‌گیرد. این تداخل‌سنج، مثل یک تداخل‌سنج نوری، از شکافنده‌ی تابع موج یک ذره تشکیل شده که دو نیمه را در طول مسیرهای مختلف ارسال می‌کند و سپس دو موج مجزا را برای تشخیص اینکه فاز نسبی موج‌ها در طول مسیر تغییر یافته است یا نه بازترکیب می‌کند.

این تیم پژوهشی اتم‌های روبیدیوم فوق‌سرد را در لوله‌ای تا ارتفاع ۱۰ متری به جلو رانده‌ و مجموعه‌ی دقیقی از پالس‌های لیزری را به این اتم‌ها شلیک کرده‌اند تا به سمت زمین بازگردند. این پالس‌ها به عنوان جایگزینی برای شکافنده‌ها، آینه‌ها و دیگر مولفه‌های تداخل‌سنج اپتیکی عمل می‌کنند.

بسته‌های موج اتم‌های انفرادی چنان تقسیم شده‌اند که دو بخشی که در داخل تداخل‌سنج‌های مختلف طی مسیر می‌کنند ۳۰ سانتی‌متر ازهم فاصله دارند. یکی از تداخل‌سنج‌ها نزدیکِ یک جرم سربی ۸۴ کیلوگرمی قرار دارد و تقریباً یک بسته‌ی موج به پهنای حدود ۱۰ سانتی متر است که در طول این قطعه مسیر را طی می‌کند و نیروهای جز و مدی را زیر نظر دارد. تداخل‌سنج دیگر (فراتر از محدوده‌ی گرانش سرب) از یک مرجع برای حذف اثر گرانش زمین و ارتعاشات ناشی از تجهیزات استفاده کرده است.

پژوهش‌گران با تغییر فاصله‌ی بین بازوها در تداخل‌سنج اول دریافتند که تفاوت در نتیجه‌های فاز نسبی، یک وابستگی درجه چهار را نشان می‌دهد که با انحنای فضا-زمان محاسبه شده برای جرم سربی در توافق است. به گفته‌ی کاسویچ: «قادریم تا اثرانگشت نیروهای جزر و مدی را به اثبات برسانیم».

این اولین بار نیست که تداخل‌سنج اتمی برای اندازه‌گیری انحنای فضا-زمان بکار می‌رود. در سال ۲۰۱۵ گالیلنمو تینو (Guglielmo Tino) از دانشگاه فلورنس در ایتالیا و همکارانش حضور انحنا را با مقایسه‌ی شتاب اتم‌ها در داخل سه ابر مختلف در میدان گرانشیِ مجموعه‌ای از جرم‌های آلیاژ تنگستنی به اثبات رساندند. اما به بیان کاسویچ اتم‌ها در ابرهای مختلف در یک تک‌حالت کوانتومی همدوس وجود ندارند. به گفته‌ی او تنها با اندازه‌گیری نیروهای جز و مدی در طول بسته‌های موج انفرادی این امکان وجود خواهد داشت تا تخریب گرانشِ همدوس کوانتومی قابل مشاهده باشد.

همدوسی حفظ‌شده

به گفته‌ی کاسویچ نتایج بدست آمده در این پژوهشِ اخیر «کاملاً سازگار» با حفظ همدوسی کوانتومی است. به بیان وی، در مورد اینکه در چه سطحی از حساسیت آزمایشگاهی ممکن است به مشاهده‌ی ناهمدوسی نیاز باشد، نظریه‌ی جاری اطلاعات کمی در این مورد بدست می‌دهد. وی می‌افزاید بسیاری از فیزیک‌دانانی که بر روی نظریه‌‌های گرانش کوانتومی کار می‌کنند به مشخصه‌ی «حد میدان قوی» در مورد سیاه چاله‌ها و دیگر اشیاء پرجرم علاقه‌مند بوده‌اند، برخلاف میدان‌های بسیار کوچک که نیروهای جز و مدی اتمی تولید می‌کنند. با این حال وی معتقد است که اندازه‌گیری‌ها مهم‌اند. به بیان وی:« من یک فیزیک‌دان تجربی هستم. کار من آن است که سیستم‌های فیزیکی را به درون حوزه‌های جدید بکشانم».

بر اساس آنچه کاسویچ می‌گوید، کاری که گروه او انجام داده‌‌اند، لحاظ فناوری نیز مهم است چون نشان می‌دهد که چگونه اندازه‌گیری‌های کوانتومی را در سانتی‌متر انجام دهیم که در مقابله با مقیاس میلی‌متر قرار دارد. به گفته‌ی وی در مورد کاربردها، تجهیزات این گروه می‌تواند به شکل بالقوه جستجوهای برپایه‌ی گرانش در مورد نفت و دیگر منابع را نیز بهبود بخشد. برای تعیین مواد با چگالی‌های ویژه در زیرسطح زمین، مهندسان عموماً از گرانش‌سنج‌هایی استفاده می‌کنند که تغییر در شتاب گرانشی از یک نقطه به نقطه‌ی دیگر را اندازه می‌گیرد. اما آن‌گونه که کاسویچ توضیح می‌دهد این اصل همسان‌سازی بیان می‌کند که اگر چنان قطعاتی به عنوان مثال بر روی برد هلیکوپترها استفاده شوند تشخیص شتاب‌های ارتعاشی و گرانشی مشکل خواهد بود. به بیان وی اگر انحنای فضا-زمان اندازه گیری ‌شود این مشکل نیز مرتفع خواهد شد.

به سختی باید کار کرد

کاسویچ اذعان دارد که «هنوز کار بسیار زیادی» نیاز است تا نسخه‌ای عملی از ابزارشان را بسازند- قطعه‌ای که «یک برج ده متری نباشد که در زیرزمین یک ساختمان قرار گرفته است. بویژه وی می‌گوید لیزرها بایستی «سطح قدرت معقول و کنترل خوب بر روی قطبش» داشته باشند. اما وی معتقد است که می‌توان بر این چالش‌ها غلبه کرد با این استدلال که پولی که از انگلستان، اروپا و ایالات متحده می‌آید در زمینه‌ی فناوری کوانتومی بتواند  به بارورشدن این موضوعات منجر شود.

تینو، کار این تیم را با توجه به اینکه  قادر است تا بسته‌های موج را در فواصلی طولانی‌تر بشکافد مورد ستایش قرار می‌دهد. به بیان وی: «این کار اثبات بیش‌ از پیش پتانسیل تداخل‌سنجی اتمی به منظور جستجوی گرانش در سیستم‌هایی است که هنوز در آن‌ها کاوشی صورت نگرفته است». این پژوهش در مجله فیزیکال ریویو لترز توصیف شده است.

درباره‌ی نویسنده:

ادوین کارتریج نویسنده‌ی علمی در رم است.

منبع:

Single atoms feel tidal force