بیگ بنگ: دهه­‌ها است که معمای کاربرد اصل هم ­ارزی اینشتین در حوزۀ کوانتوم، فیزیکدانان را نگران کرده است. حال دو محقق کلید احتمالی حل این معما را کشف کرده­‌اند.

به گزارش بیگ بنگ، نظریه‌­های فیزیکی اینشتین تقریبا از تمام آزمایشات فیزیک کلاسیکی که بر روی آنها انجام شده با سربلندی بیرون آمده­‌اند. اما وقتی به مقیاس­‌های بسیار کوچک می­ رسیم (حوزۀ کوانتوم) اوضاع کمی عجیب­ می­ شود. موضوع این است که مشخص نیست نظریۀ نسبیت عام اینشتین و مکانیک کوانتوم چطور با یکدیگر سازگار هستند. قوانینی که بر این دو حوزه حکفرما هستند با یکدیگر قابل انطباق نیستند و تفاوت­‌های میان این دو را حل و فصل می­ کنند.

اصل هم ­ارزی(یکی از سنگ بناهای فیزیک امروزی) بخش مهمی از نظریه نسبیت عام است. اگر آن را بتوان در حوزۀ کوانتوم جای داد، ممکن است به ما کمک کند تا نسبیت عام و مکانیک کوانتوم را بر یکدیگر منطبق کنیم. به بیانی ساده، اصل هم­ ارزی یعنی گرانش به تمام اشیاء شتاب یکسان می­ دهد. می­ توان این موضوع را در آزمایش چکش و پر که توسط دیوید اسکات فرماندۀ آپولو 15 انجام گرفت مشاهده کرد.

همچنین این اصل به این معنی است که جرم گرانشی و جرم لختی برابر هستند. به بیانی ساده، اگر شما در یک اتاقک بسته مثل آسانسور باشید، شما نمی­ توانید حدس بزنید نیروی بیرون اتاقک گرانش بوده است یا شتاب برابر با گرانش. زیرا تاثیر هر دو نیرو یکسان است. “مگدالنا زیک”، از مرکز تعالی مهندسی سیستم­‌های کوانتومی در استرالیا گفت: «اصل هم­ ارزی اینشتین اظهار دارد لختی کلی و جرم گرانشی یک جسم برابر هستند. یعنی همۀ اجسام در مواجهه با گرانش به شکل مشابهی سقوط می­ کنند.» هنگامی که فضانوردان به کرۀ ماه رفتند برای بررسی این موضوع که آیا زمان سقوط به جرم بستگی دارد یا نه، آزمایش زیر را انجام دادند و مشاهده کردند که چکش و پر همزمان به سطح ماه رسیدند. در زیر این ویدئو را مشاهده کنید:

او اضافه کرد:«فیزیکدانان بر روی این موضوع اختلاف دارند که آیا این اصل را می­ توان بر روی ذرات کوانتومی بکار برد یا خیر. بنابراین برای اینکه آن را به دنیای کوانتوم منتقل کنیم لازم بود بدانیم برهم­کنش ذرات کوانتومی با گرانش به چه شکل است. به این منظور باید به جرم توجه می­ کردیم.» طبق نظریه­ نسبیت، جرم توسط انرژی ایجاد می­ شود. اما در دنیای کوانتوم موضوع کمی پیچیده­‌تر است. یک ذرۀ کوانتومی می­ تواند دو حالت مختلف انرژی با مقادیر مختلف داشته باشد که آن را برهم ­نهی می­ نامند. چون ذره برهم ­نهی حالت انرژی دارد، برهم ­نهی جرم­‌های لختی نیز دارد. از لحاظ نظری این بدین معنی است که ذره باید بر­هم­ نهی جرم­‌های گرانشی نیز داشته باشد اما برهم ­نهی ذرات کوانتومی توسط اصل هم­ ارزی توضیح داده نشده است.

زیک در این باره گفت: «ما متوجه شدیم باید رفتار این ذرات در حالت­‌های کوانتومی مورد بحث را بررسی کنیم تا دیدگاه کلی یک ذره نسبت به گرانش را درک کنیم. تحقیقات ما نشان داد اصل هم ­ارزی محدودیت­‌های بیشتری برای ذرات کوانتومی در برهم­ نهی­‌های کوانتومی جرم­‌های مختلف، نسبت به ذرات کلاسیک قائل می­ شود. این موضوع تا کنون کشف نشده بود.»

این کشف به تیم تحقیقاتی این امکان را می­ دهد تا اصل هم­ ارزی را برای در بر گرفتن برهم ­نهی‌­ها در یک ذرۀ کوانتومی، اصلاح کنند. این اصلاحات هنوز بصورت تجربی اعمال نشده است اما محققان اظهار داشتند این موضوع می­تواند راه را برای آزمایش بیشتر این محدودیت‌­های تازه کشف­ شده باز کند. همچنین این اصلاحات چارچوب جدیدی برای آزمایش اصل هم ­ارزی در حوزۀ کوانتوم ارائه می­ کند. بیشتر از این نمی­ توانیم برای رسیدن به پاسخ صبر کنیم. نتایج تحقیقات در مجلۀ Nature Physics منتشر شده است.

ترجمه: رضا کاظمی/ سایت علمی بیگ بنگ

منبع: sciencealert.com