فيزياء الكم

فيزياء الكم: عالم الفيزياء يبني حجة للتخلص من الجاذبية الكمومية

تظل هناك خلافات عميقة في قلب الفيزياء. نظرية النسبية العامة، التي تصف الجاذبية، تتعارض مع فيزياء الكم. في محاولة لسد هذا الانقسام في الفيزياء، قضى عدد لا يحصى من الفيزيائيين حياتهم يعملون على بناء نظرية الجاذبية الكمومية.

ولكن هناك فيزيائي واحد يدعم طريقة مختلفة تمامًا. يعتقد جوناثان أوبنهايم أن الجاذبية قد تكون أساسًا كلاسيكية، مما يعني أنها ليست كمومية على الإطلاق. إنه فكرة غير تقليدية، لنقل الحقيقة.

“عندما بدأنا، ربما كان 99 في المئة من زملائنا يعتقدون أننا مجانين، والآن انخفض ذلك إلى 70 في المئة”، يقول أوبنهايم، من جامعة كوليدج لندن.

جميع القوى المعروفة باستثناء الجاذبية مصاغة بالفيزياء الكمومية. الرأي السائد هو أن الجاذبية ستحتاج إلى أن تتكامل مع زملائها الكموميين. ولكن الجاذبية مختلفة، يقول أوبنهايم. بينما تتطور القوى الأخرى داخل مناظر الزمكان، فإن الجاذبية هي انحناء الزمكان نفسه. لذا، يقول أوبنهايم، “من الواضح تمامًا أنه يجب أن يكون لها طبيعة كمومية، في رأيي”.

لقد وضع الفيزيائيون العديد من “نظريات الحظر” التي تمنع بشكل ظاهر نظرية كلاسيكية للجاذبية. تبرز هذه النظريات التناقضات التي تظهر عندما يتم تطبيق الجاذبية الكلاسيكية على الجسيمات الكمومية. ولكن يمكن التغلب على هذه الحظرات عن طريق إضافة بعض العشوائية إلى طريقة انحناء الزمكان استجابة للجسيمات الكمومية، يقول أوبنهايم في تقريره في 4 ديسمبر في مجلة Physical Review X.

لنأخذ في الاعتبار التجربة المشهورة للفيزياء الكم، تجربة الشق المزدوج (SN: 5/3/19). يتم إرسال الجسيمات نحو كاشف، مفصولة بحاجز يحتوي على فتحتين فيه. عندما تصل تلك الجسيمات إلى الكاشف، فإنها تخلق نمطًا مخططًا يسمى نمط التداخل. ينشأ هذا النمط لأن الجسيم في الفيزياء الكم ليس مقيدًا بأن يمر من خلال فتحة واحدة أو الأخرى. بدلاً من ذلك، يمكن أن يكون موجودًا في حالة فوقية، يأخذ تركيبة كمومية لكلا الطرق الممكنة. إذا قام العالم بإجراء قياس لتحديد الفتحة التي مر بها الجسيم، فإن هذا النمط يختفي. عندما يتم إرسال الجسيمات، في هذه الحالة جسيمات الضوء المسماة فوتونات، نحو حاجز يحتوي على فتحتين فيه، فإن الجسيمات تنتج نمط تداخل (شرائط) بسبب التأثيرات الكمومية. Dorling Kindersley / Getty Images

إذا كانت الصورة الكلاسيكية القياسية للجاذبية صحيحة، فسيكون من الممكن قياس الحقل الجاذبي لتلك الجسيم بدقة بحيث يمكنك تحديد الفتحة التي مر بها الجسيم. ستدمر هذه الإمكانية نمط التداخل، حتى دون القيام بالقياس فعليًا. لأن العلماء يلاحظون أنماط التداخل في المختبر، فإن ذلك ضربة كبيرة لنظرية الجاذبية الكلاسيكية القياسية.

ولكن العشوائية المدمجة في نظرية أوبنهايم تعني أن الجسيم ليس لديه حقل جاذبية محدد، بل يتذبذب الحقل. هذا يعني، على عكس النسخة الكلاسيكية القياسية للجاذبية، أنه ليس من الممكن تحديد الفتحة التي مر بها الجسيم عن طريق قياس حقله الجاذبي بدقة. يمكن للجسيمات أن تمر عبر الفتحات في حالة فوقية، ويتم استعادة نمط التداخل، مما يعيد إمكانية أن تكون الجاذبية كلاسيكية.

يمكن للتجارب اختبار هذه النظرية من خلال البحث عن أدلة على تلك التذبذبات العشوائية في الجاذبية، يقول أوبنهايم وزملاؤه في تقريرهم في 4 ديسمبر في مجلة Nature Communications. “عمومًا، تقوم بقياس استجابة كتلة بدقة لحقل جاذبية”، يقول زاك ويلر-ديفيس، مشارك في الدراسة الذي أكمل العمل في معهد بيريميتر للفيزياء النظرية في واترلو، كندا.

ليست هذه هي المرة الأولى التي يقترح فيها العلماء طريقة لجعل الجاذبية الكلاسيكية تتوافق مع فيزياء الكم. ولكن أوبنهايم كان “يقود نهضة”، وفقًا للفيزيائي فيفيشيك سودهير من معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا. يأمل سودهير في اختبار النظرية باستخدام نوع آخر من التجربة، وهو قياس الترابطات بين حركات كتلتين تتفاعلان بالجاذبية، وذلك حسبما يقول هو وزميله في تقريرهما في 16 سبتمبر على موقع arXiv.org.

ومع ذلك، فإن النظرية تحتوي على ميزات قد يجدها بعض الفيزيائيين غير مرضية. على سبيل المثال، تعني العشوائية المتضمنة أن النظرية ليست قابلة للعكس: على عكس النظريات الأخرى، ليس هناك طريقة للبدء من نهاية تفاعل وتتبع خطواته إلى الوراء.

ومع ذلك، حتى المؤمنين بالجاذبية الكمومية يعتقدون أن العمل له قيمة. “السبب الذي يجعل هذا العمل مثيرًا للاهتمام بالنسبة لي ليس حقًا لأنني أعتقد أن الجاذبية كلاسيكية”، يقول فلامينيا جياكوميني من معهد زيوريخ للتكنولوجيا. إن النتيجة، كما تقول، مثيرة للاهتمام بغض النظر عما إذا كانت الجاذبية ستُعتبر كلاسيكية أم كمومية. هذا لأنه من أجل أن تعلن التجربة بثقة أن الجاذبية هي كمومية، يحتاج العلماء إلى فهم إمكانيات الجاذبية الكلاسيكية. “فقط بهذه الطريقة سنتمكن من إثبات بقوة أن الجاذبية ليست متوافقة مع وصف كلاسيكي”.

Source: https://www.sciencenews.org/article/gravity-quantum-mechanics-physics-theory