دانشمندان برای نخستین بار توانسته‌اند پیش‌بینی‌های نظریه نسبیت عام اینشتین درباره گرانش را در قلمرو کوانتومی به‌صورت تجربی بررسی کنند. این نشانه‌ها از مشاهده یک جسم کوانتومی در حال سقوط به دست آمده‌اند و می‌توانند گامی مهم در مسیر دستیابی به نظریه‌ای واحد برای توضیح همه پدیده‌های بنیادی طبیعت باشند.
برای درک اهمیت این آزمایش، باید به اوایل قرن بیستم بازگردیم. نظریه نسبیت عام اینشتین، گرانش را در مقیاس‌هایی مانند سیارات، ستاره‌ها و سیاه‌چاله‌ها توصیف می‌کند و حتی در توضیح شکل‌گیری کهکشان‌ها و خوشه‌های کهکشانی نیز موفق است. در مقابل، مکانیک کوانتومی فیزیک غیرشهودی حاکم بر مقیاس‌هایی کوچک‌تر از اتم را توصیف می‌کند. با این حال، این دو نظریه تاکنون نتوانسته‌اند در قالب یک چارچوب نظری واحد با یکدیگر ترکیب شوند.
در حال حاضر، نظریه‌ای کامل برای گرانش کوانتومی وجود ندارد، اما دانشمندان تصور می‌کنند که به درک چگونگی ایجاد چنین چارچوبی نزدیک‌تر شده‌اند.
تیمی از پژوهشگران آزمایشی انجام داده است تا نقطه‌ای را بررسی کند که در آن مکانیک کوانتومی و نسبیت عام به یکدیگر می‌رسند؛ به‌طور مشخص، اینکه ویژگی‌های کوانتومی اتم‌ها هنگام سقوط تحت تأثیر گرانش چگونه تغییر می‌کنند.
در مرکز این آزمایش، یکی از مفاهیم مهم نسبیت عام، یعنی «اصل هم‌ارزی» (equivalence principle)، قرار دارد. این اصل بیان می‌کند که برای ناظری که در حال سقوط آزاد است،باید اثر گرانش از بین برود. برای مثال، فردی را تصور کنید که در آسانسوری بسته و بدون پنجره قرار دارد؛ اگر روی زمین ثابت باشد، گرانش را احساس می‌کند و اگر توپی را رها کند، توپ به سمت کف آسانسور سقوط می‌کند. اما همین وضعیت می‌تواند زمانی ایجاد شود که آسانسور با شتابی رو به بالا، برابر با شتاب گرانش زمین، یعنی حدود ۹/۸ متر بر مجذور ثانیه، حرکت کند. در این شرایط، فرد نمی‌تواند تفاوت میان گرانش و شتاب را تشخیص دهد.
تصویری از اصل هم‌ارزی – اعتبار تصویر: Robert Lea
پژوهشگران برای بررسی اصل هم‌ارزی در مقیاس کوانتومی از ابزاری به نام «تداخل‌سنج کوانتومی گالیله» (Quantum Galileo Interferometer) استفاده کردند. این دستگاه به آن‌ها اجازه داد موج کوانتومی مرتبط با یک اتم در حال حرکت را به دو مسیر تقسیم کنند؛ در یکی از مسیرها اتم در جای خود نگه داشته شد و در مسیر دیگر، اجازه داده شد اتم آزادانه سقوط کند.
پژوهشگران سپس این دو موج را دوباره با یکدیگر ترکیب کردند تا تغییراتی را که گرانش در موجِ در حال سقوط ایجاد کرده بود، بررسی کنند.
تیم پژوهشی برای انجام این آزمایش، از ابری از اتم‌های روبیدیوم استفاده کرد که آن‌ها را تا دمای اندکی بالاتر از صفر مطلق سرد کرده بودند. این اتم‌ها در نزدیکی سطح یک تراشه اتمی ویژه قرار گرفتند. پژوهشگران با استفاده از پالس‌های مایکروویو، اتم‌ها را در حالتی به نام «ابر مکان‌یابی کوانتومی» (quantum superposition) قرار دادند. در این حالت، یک سامانه کوانتومی می‌تواند به‌طور هم‌زمان در دو یا چند حالت توصیف شود. در این آزمایش، ابر مکان‌یابی به هر اتم اجازه می‌داد هم‌زمان در امتداد دو مسیر متفاوت حرکت کند.
میدان‌های مغناطیسی ایجادشده توسط تراشه اتمی در یکی از مسیرها نیرویی رو به بالا اعمال کردند که اثر کششِ رو به پایین گرانش را خنثی می‌کرد و اتم را در جای خود نگه می‌داشت. در مسیر دیگر نیز پالس‌های مغناطیسی، اتم‌ها را به سمت بالا می‌راندند، اما سپس این پالس‌ها قطع شدند و به اتم‌ها اجازه داده شد مانند توپی که به هوا پرتاب شده است، تحت تأثیر گرانش به‌صورت آزاد سقوط کنند.
دستگاه MOT دو بعدی که محفظه علمی را با اتم‌های سرد تغذیه می‌کند. در مرکز یک سلول شیشه‌ای قرار دارد که تحت خلاء بین سیم‌پیچ‌های تولیدکننده میدان مغناطیسی نگهداری می‌شود. اتم‌ها از طریق سوراخ کوچکی که در مرکز سطح زرد (بازتابنده) دیده می‌شود، وارد محفظه علمی می‌شوند. (اعتبار تصویر: Or Dobkowski.)
پژوهشگران پس از ترکیب دوباره موج‌ها، از پدیده‌ای به نام «تداخل» (interference) استفاده کردند. در این پدیده، قله‌ها و دره‌های دو موج با یکدیگر برهم‌کنش می‌کنند و الگوی حاصل می‌تواند اطلاعاتی درباره تغییرات ایجادشده در موجِ در حال سقوط ارائه دهد.
این آزمایش برای نخستین بار اثر گرانش و سقوط آزاد بر فاز یک موج کوانتومی را اندازه‌گیری کرد. به این ترتیب، پژوهشگران توانستند اصل هم‌ارزی اینشتین را در قلمرو کوانتومی نیز آزمایش کنند.
با این حال، پژوهشگران تأکید می‌کنند که این آزمایش به معنای مشاهده یا اثبات «گرانش کوانتومی» نیست. در عوض، نتیجه به درک بهتر چگونگی رفتار مکانیک کوانتومی در حضور گرانش کمک می‌کند و می‌تواند گامی دیگر در مسیر طولانی جست‌وجو برای یک چارچوب نظری واحد باشد؛ مسیری که فیزیک‌دانان بیش از یک قرن است دنبال می‌کنند.
به گفته پژوهشگران، هنوز نظریه‌ای سازگار وجود ندارد که توضیح دهد چرا فیزیک کوانتومی باید در شرایطی خاص از کارایی بیفتد. این آزمایش مکانیک کوانتومی را به یکی از جذاب‌ترین مرزهای آن، یعنی گرانش، وارد می‌کند و نشان می‌دهد که پیش‌بینی‌های این نظریه همچنان در این قلمرو نیز برقرار هستند.
نتایج این پژوهش ۲ سپتامبر ۲۰۲۶ (۱۱ شهریور ۱۴۰۵) در مجله علمی Science Advances منتشر شد.
مترجم: سوگند متقی
ویراستار: فائزه فتحی
منبع: space