گرانش کوانتومی، تلاشی برای پیوند فیزیک کوانتومی با نسبیت عام

فیزیک کوانتومی بهترین توصیف از عالم در مقیاسی کوچکتر از اتم است. از سوی دیگر نظریه نسبیت عام اینشتاین بهترین توصیف فیزیکی برای عالم در مقیاس های بزرگ کیهانی است. هر دو نظریه به مدت صد سال از بوته هر آزمون عملی پیروز بیرون آمده اند لیکن چیزی بطرزی عذاب آور در این میانه گم و نامکشوف باقی مانده است.

این دو نظریه که در شروع قرن بیستم تدوین شده و بسیار درست و پابرجا بنظر می رسند، از اتحاد با یکدیگر سرپیچی کرده اند.

یکی از دلایل این تناقض این است که در حالی که سه تا از نیروهای بنیادی عالم – الکترومغناطیس، نیروی هسته ای قوی و نیروی هسته ای ضعیف – دارای توصیفات کوانتومی هستند، هیچ نظریه کوانتومی برای نیروی چهارم یعنی گرانش وجود ندارد.

[برای سه نیروی نخست ذکر شده ذرات حامل نیرو یافت شده و معادلات برهم کنش ذرات زیراتمی تدوین شده است در حالی که ذره حامل نیروی گرانش – گراویتون ها – هنوز عملا کشف نشده و معادلات نیروی گرانشی میان ذرات زیراتمی نیز به خوبی تدوین نشده اند. مترجم (اصغر ناصری)]

عئم توافق نظریه نسبیت عام و فیزیک کوانتومی ممکن است طبیعی بنظر رسد: اینشتاین هیچگاه با فیزیک کوانتومی احساس راحتی نمی کرد. دلیل این است که در حالی که فیزیک کوانتومی دارای بسیاری جنبه های ضدشهودی است، یکی از آنها از نظر اینشتاین بسیار مشکل زا است.

منظور نماد در هم تنیدگی است (entanglement). به بیان ساده، در هم تنیدگی به معنای هماهنگی ذرات به ظیوه ای است که تغییر خواص یکی از ذرات می تواند به تغییر آنی خواص ذره در هم تنیده با آن منجر شود حتی اگر ذره دیگر در سوی دیگر عالم واقع شده باشد. اینشتاین این پدیده را عمل شبخ وار از راه دور نامید که با مفهوم واقع گرایی موضعی تضاد دارد.

واقع گرایی موضعی (local realism) عبارت است از این ایده که اشیا همواره دارای خواص تعریف شده هستند و تعاملات میان اشیا توسط فاصله میان آنها و سرعت نور محدود می شود، یک حد کیهانی برای سرعت که زیربنای نسبیت خاص اینشتاین است. نسبیت خاص در حقیقت نظریه ای است که به فرموله سازی نسبیت عام می انجامد. با این وجود علیرغم اظهارات اینشتاین، دانشمندان ثابت کرده اند که در هم تنیدگی کوانتومی و سایر جنبه های ضدشهودی فیزیک کوانتومی براستی در دنیای زیراتمی صدق می کنند.

چنین اثباتی با انبوهی از آزمایشات پیشگامانه بدست آمده است. برای مثل فوکس و همکارانش (Fuchs) برپایه کارهای اولیه آلین اسپکت، کلاوسر و زیلینگر که به جایزه نوبل 2022 در فیزیک منجر شد، بطور تجربی درستی ماهیت غیرموضعی در هم تنیدگی را ثابت کردند. آنها در آزمایشات کوانتومی خود، از "دامهای" مغناطیسی ابر رسانا برای اندازه گیری کشش گرانشی ضعیف در کوچکترین جرمی که تا بحال آزمایش نشده بود، استفاده کردند.

ذره ریز در دام ابررسانا در دمایی حدود -273 درجه سلسیوس شناور می شود، دمایی که تنها چند صدم درجه بالاتر از صفر مطلق است یعنی دمایی دست نیافتنی که در آن تمام جنبش های مولکولی به صفر می رسد. این دمای انجماد برای رساندن ارتعاشات ذرات به حداقل ممکن لازم است. در این دما دانشمندان توانستند یک کشش گرانشی معادل 30 آتو نیوتن بر روی ذره ثبت کنند.

برای اینکه درکی از بزرگی این نیرو داشته باشید، توجه کنید که یک نیوتن نیرویی است که به جرم یک کیلوگرم شتابی معادل 1 متر بر مجذور ثانیه می دهد. و 30 آتو نیوتن معادل 0.00000000000000003 نیوتن است!

با اندازه گیری کشش گرانشی که بر کوچکترین جرم ممکن عمل می کند می توان ماهیت عمل گرانش در ابعاد کوانتومی را بهتر دریافت. این امر گام مهمی بسوی اتحاد فیزیک کوانتومی و نسبیت عام است و راه را برای آزمون حتی اجرام کوچکتر باز می کند. بدین ترتیب با شناخت ماهیت عمل گرانش در ابعاد کوچکترین ذرات، می توان  به درک بزرگتری از عالم بی انتها رسید.

منبع:

https://www.msn.com/en-us/news/technology/quantum-gravity-could-help-unite-quantum-mechanics-with-general-relativity-at-last/ar-BB1iMZUB