فیزیک‌دانان برای نخستین‌بار اصل هم‌ارزی اینشتین را در مقیاس کوانتومی مشاهده کردند

بیش از یک قرن است که فیزیک‌دانان با دو نظریه‌ی بزرگ جهان را توضیح می‌دهند: مکانیک کوانتومی برای ذرات بسیار کوچک و نسبیت عام اینشتین برای گرانش و ساختار کیهان. بااین‌حال، پیوند دادن این دو نظریه هنوز یکی از مسائل حل‌نشده‌ی فیزیک است.

اکنون گروهی بین‌المللی از فیزیک‌دانان برای نخستین‌بار اثری را مشاهده کرده‌اند که نظریه‌ی گرانش اینشتین برای یک جسم کوانتومی در حال سقوط پیش‌بینی می‌کند. نتیجه‌ی آزمایش نشان می‌دهد یکی از اصول بنیادی نسبیت عام، دست‌کم در شرایط بررسی‌شده، با رفتار ماده در دنیای کوانتومی سازگار است.

پژوهش تازه با مشارکت دانشمندان دانشگاه آکسفورد، دانشگاه بن‌گوریون و دانشگاه اولم انجام شده و سر راجر پنروز، فیزیک‌دان برنده‌ی نوبل نیز در آن حضور داشته است.

فیزیک امروز بر دو نظریه‌ی بسیار موفق استوار است. مکانیک کوانتومی رفتار اتم‌ها و ذرات بسیار کوچک را توضیح می‌دهد و نسبیت عام اینشتین چگونگی عملکرد گرانش را توصیف می‌کند. مشکل اینجاست که فیزیک‌دانان هنوز نمی‌دانند چگونه این دو نظریه را به‌طور کامل در چارچوبی واحد کنار هم قرار دهند.

پژوهشگران در آزمایش جدید یکی از اصول مهم نظریه‌ی اینشتین، موسوم به «اصل هم‌ارزی»، را در یک سامانه‌ی کوانتومی بررسی کردند. براساس این اصل، ناظری که در حال سقوط آزاد است، در محیط اطراف خود اثر گرانش را احساس نمی‌کند؛ شبیه فردی که داخل آسانسوری در حال سقوط آزاد برای لحظاتی احساس بی‌وزنی می‌کند.

به گزارش آی‌اف‌ال‌ساینس، دانشمندان اتم‌های روبیدیوم را تا دمایی نزدیک به صفر مطلق سرد و آن‌ها را وارد حالت «برهم‌نهی کوانتومی» کردند. در این حالت، موج مربوط به هر اتم می‌تواند عملاً دو مسیر متفاوت را به‌طور هم‌زمان طی کند.

پژوهشگران یکی از این دو مسیر را با کمک میدان مغناطیسی ثابت نگه داشتند و اجازه دادند بخش دیگر آزادانه تحت تأثیر گرانش سقوط کند. سپس دو بخش دوباره به یکدیگر رسانده شدند. با ترکیب دوباره‌ی دو موج، الگویی به نام «تداخل کوانتومی» ایجاد شد. این الگو به دانشمندان امکان داد تغییر بسیار کوچکی را اندازه‌گیری کنند که هنگام سقوط آزاد در فاز کوانتومی اتم ایجاد شده بود.

نتیجه‌ی آزمایش به این معنا نیست که مسئله‌ی پیوند میان مکانیک کوانتومی و گرانش حل شده است. همچنین ثابت نمی‌کند که خود گرانش ماهیتی کوانتومی دارد. این آزمایش فقط نشان می‌دهد در محدوده‌ای که بررسی شده، پیش‌بینی نظریه‌ی اینشتین با رفتار یک جسم کوانتومی ناسازگار نیست.

پژوهشگران اکنون قصد دارند آزمایش‌های مشابهی را با اجسام بسیار سنگین‌تر، ازجمله نانوالماس‌ها، انجام دهند. چنین آزمایش‌هایی می‌توانند به بررسی این پرسش کمک کنند که آیا در مقیاس‌های بزرگ‌تر، میان مکانیک کوانتومی و گرانش اینشتین اختلافی ظاهر می‌شود یا خیر.

پژوهش در ژورنال Science Advances منتشر شده‌ است.