وقتی گرانش برای لحظهای پس میزند؛ عجیبترین راه برای دیدن چهره کوانتومی جهان
گرانش که همیشه جاذبه ایجاد میکند، چطور ممکن است نتیجهای شبیه پسزدن داشته باشد؟
گرانش را همیشه بهعنوان نیرویی میشناسیم که اجسام را بهسمت هم میکشد؛ از افتادن یک سیب از درخت تا حرکت یک ستاره به دور سیاهچاله. اما ایدهای تازه در مرز فیزیک کوانتوم و نسبیت عام میگوید در شرایطی خاص، ممکن است ترکیب دو اثر گرانشی معمولی در بخشی از آزمایش نتیجهای شبیه دافعه ایجاد کند.
البته قرار نیست از جرم منفی یا نیرویی ناشناخته حرف بزنیم. چیزی که ممکن است دیده شود، نه یک دافعه واقعی، بلکه اثری شبیه دافعه است که از ترکیب دو اثر گرانشی معمولی بهوجود میآید. اگر این اثر در آزمایش دیده شود و نتوان آن را با نیروهای شناختهشده توضیح داد، شاید یکی از نشانههای مستقیم کوانتومی بودن گرانش باشد. اما یک سؤال اساسی باقی میماند: گرانش که همیشه جاذبه ایجاد میکند، چطور ممکن است نتیجهای شبیه پسزدن داشته باشد؟
اگر گرانش همیشه جاذبه است، این دافعه از کجا میآید؟
یکی از آشناترین ویژگیهای گرانش این است که اجسام با جرمهای مختلف را بهسمت یکدیگر میکشد. در فیزیک نیوتنی، این اثر به شکل یک نیرو توصیف میشود. در نسبیت عام، تصویر فرق میکند: ماده و انرژی فضاـزمان را خم میکنند و اجسام در این فضاـزمان خمیده حرکت میکنند. اما در هر دو توصیف، برای ماده معمولی همان چیزی را میبینیم که انتظار داریم؛ جاذبه.
برای همین، وقتی از گرانش دافعه حرف میزنیم، ممکن است ذهنمان فوراً بهسمت ضدگرانش یا جرم منفی برود، اما ماجرا اصلاً این نیست. در این پژوهش، گرانش در هر حالت جداگانه همان رفتار آشنای خودش را دارد و فقط جذب میکند. هیچ جرمی بهتنهایی جرم دیگر را پس نمیزند. اتفاق غیرعادی زمانی رخ میدهد که چند حالت کوانتومی با هم تداخل میکنند و از دل این تداخل، اثری ظاهر میشود که شبیه دافعه است.
پس با یک نیروی دافعه تازه روبهرو نیستیم. این اثر زمانی شکل میگیرد که چند حالت کوانتومی روی هم اثر میگذارند؛ چیزی که از بررسی جداگانه هر حالت به دست نمیآید. اگر چنین اثری در آزمایش دیده شود، اهمیتش فقط در همین رفتار عجیب نیست. چنین نتیجهای میتواند نشانهای از ویژگیهای کوانتومی گرانش در مقیاسهای بنیادی باشد.
یک شکاف صدساله در قلب فیزیک
فیزیک مدرن برای توضیح جهان از دو نظریه بزرگ، فیزیک کوانتوم و نسبیت عام، استفاده میکند. هر دو بارها در آزمایش و مشاهده موفق بودهاند، اما هنوز نمیدانیم چطور باید آنها را در یک چارچوب واحد کنار هم قرار دهیم.
فیزیک کوانتوم رفتار اتمها و ذرات بنیادی را توضیح میدهد؛ جهانی که در آن یک سیستم میتواند همزمان ترکیبی از چند حالت باشد، نتیجه بعضی اندازهگیریها را نمیتوان از پیش با قطعیت دانست و دو ذره ممکن است چنان بههم وابسته شوند که دیگر نتوان وضعیت یکی را جدا از دیگری توصیف کرد.
در مقابل، نسبیت عام، گرانش را نه یک نیروی معمولی، بلکه نتیجه خمیدگی فضاـزمان میداند. به کمک همین نظریه میتوان حرکت سیارات، عدسیهای گرانشی و بسیاری از ویژگیهای سیاهچالهها را توضیح داد.
مسئله از جایی آغاز میشود که پای گرانش به دنیای کوانتوم باز میشود. در نظریه کوانتوم، کمیتهای فیزیکی میتوانند دچار عدمقطعیت و برهمنهی باشند، اما در نسبیت عام، میدان گرانشی بهطور کلاسیک توصیف میشود. کنار هم قرار دادن این دو تصویر، ساده نیست و هنوز نظریهای از گرانش کوانتومی نداریم که هم کامل باشد و هم بتوان آن را مستقیماً با آزمایش تأیید کرد.
مدتها تصور میشد برای دیدن اثرهای کوانتومی گرانش باید سراغ شرایطی رفت که روی زمین دستیافتنی نیستند؛ انرژیهای بسیار بالا یا مقیاسهای فوقالعاده کوچک، شبیه آنچه در لحظات آغازین جهان یا در نزدیکی بخشهای بسیار پرچگال سیاهچالهها انتظار داریم. اما در سالهای اخیر مسیر دیگری بهصورت جدیتر مطرح شده است. شاید لازم نباشد گرانش کوانتومی را مستقیماً در چنین شرایط افراطی ببینیم. شاید کافی باشد آزمایشی پیدا کنیم که نشان دهد گرانش میتواند اثری ایجاد کند که یک میدان کاملاً کلاسیک از پس آن برنمیآید.
همین ایده، گرانش کوانتومی را از بحثی محدود به شرایط دور از دسترس کیهانی، به موضوعی تبدیل کرده است که میتوان ردپایش را در آزمایشهای زمینی جستوجو کرد.
اگر گرانش درهمتنیدگی ایجاد کند، خودش هم باید کوانتومی باشد
یکی از راههای پیشنهادی برای فهمیدن اینکه گرانش ماهیتی کوانتومی دارد یا نه، استفاده از آزمایشهایی است که به درهمتنیدگی القاشده با گرانش معروف هستند. ایده از یک ویژگی عجیب دنیای کوانتومی شروع میشود: یک ذره یا جسم بسیار کوچک میتواند پیش از اندازهگیری، فقط در یک موقعیت مشخص نباشد و حالتش ترکیبی از چند موقعیت مختلف باشد. به این وضعیت برهمنهی میگویند. بهعنوان مثال، میتوان حالتی ساخت که در آن یک جرم کوچک بهطور کوانتومی میان دو مسیر یا دو مکان متفاوت تقسیم شده باشد.
حالا فرض کنید دو جرم کوچک را همزمان در برهمنهی مکانی قرار دهیم، یعنی هر یک از آنها بتواند بهصورت کوانتومی در ترکیبی از دو موقعیت متفاوت باشد. سپس این دو جرم را تا حد ممکن از محیط پیرامون جدا کنیم، بهگونهای که تنها برهمکنش قابلتوجه میانشان گرانش باشد. هر کدام از این دو جرم، بسته به اینکه در کدام شاخه از برهمنهی قرار گرفته باشد، کشش گرانشی کمی متفاوت بر دیگری وارد میکند.
آیا گرانش بهتنهایی میتواند این دو جرم را درهمتنیده کند؟ اگر پاسخ مثبت باشد، یعنی گرانش فقط یک نیروی کلاسیک نیست و میتواند میان دو سیستم، اثرهای کوانتومی ایجاد کند.
اگر در پایان آزمایش مشخص شود که دو جرم درهمتنیده شدهاند، نتیجه اهمیت زیادی دارد. در چنین طرحی، یک واسطه کاملاً کلاسیک نباید بتواند میان دو سیستم مستقل، درهمتنیدگی ایجاد کند. بنابراین اگر تنها ارتباط میان دو جرم، گرانش باشد، شکلگیری درهمتنیدگی میتواند نشانهای جدی از کوانتومی بودن خود برهمکنش گرانشی باشد.
اما انجام چنین آزمایشی ساده نیست. قرار دادن یک جسم نسبتاً پرجرم در حالت برهمنهی و نگه داشتن آن در این حالت، خیلی دشوارتر از کاری است که با اتمها یا فوتونها انجام میشود. هرچه جرم بزرگتر باشد، بیشتر با محیط اطرافش برهمکنش دارد و برهمنهی آن سریعتر از بین میرود. بههمیندلیل، حفظ حالت کوانتومی جرمهای نسبتاً بزرگ یکی از چالشهای اصلی این آزمایشهاست.
طرح جدید میخواهد این کار را سادهتر کند. در این روش، لازم نیست هر دو جرم در حالت برهمنهی قرار بگیرند؛ کافی است فقط یکی از آنها در برهمنهی باشد. در این طرح، یک جرم منبع گرانش است و جرم کوچکتری در نزدیکی آن قرار میگیرد تا اثر گرانشیاش را حس کند. جرم اول وارد تداخلسنج میشود و در برهمنهی دو موقعیت A و B قرار میگیرد.
اگر جرم منبع در A باشد، کاوشگر بهسمت A کشیده میشود و اگر در B باشد، بهسمت B. در هر دو حالت، گرانش همچنان جاذبه است. اما وقتی جرم منبع در برهمنهی A و B قرار دارد، اگر گرانش واقعاً رفتاری کوانتومی داشته باشد، هر شاخه باید اثر متفاوتی روی کاوشگر بگذارد. درنتیجه، حرکت کاوشگر به حالت جرم منبع وابسته میشود و حالت این دو بههم گره میخورد. تا اینجا هنوز هیچ نیروی دافعهای وجود ندارد. در هر شاخه، کاوشگر همچنان بهسمت جرم منبع کشیده میشود. اثر غیرمعمول زمانی ظاهر میشود که در پایان آزمایش، دو شاخه دوباره با هم ترکیب شوند.
چطور دو کشش میتوانند به یک حرکت رو به عقب منجر شوند؟
یک ذره کوانتومی را نمیشود فقط مثل یک گلوله بسیار کوچک در نظر گرفت. حالت آن با تابع موج توصیف میشود و بخشهای مختلف این تابع موج میتوانند با هم تداخل کنند، تقریباً شبیه اتفاقی که برای موجهای آب یا نور میافتد. اگر قله دو موج روی هم بیفتند، یکدیگر را تقویت میکنند. اما اگر قله یکی روی دره دیگری بیفتد، ممکن است همدیگر را تضعیف یا حتی تقریباً خنثی کنند. در فیزیک کوانتوم نیز دامنههای احتمال میتوانند چنین رفتاری داشته باشند.
در این آزمایش، جرم منبع همزمان در دو موقعیت A و B قرار دارد. چون فاصله هر یک از این دو موقعیت تا کاوشگر متفاوت است، اثر گرانشی آنها نیز دقیقاً یکسان نیست. درنتیجه، اثر گرانش در دو شاخه یکسان نیست و کاوشگر در هر کدام مقدار متفاوتی تکانه میگیرد. در پایان آزمایش، همه نتایج بررسی نمیشوند و فقط نتایجی با یک حالت نهایی مشخص انتخاب میشوند. به این انتخاب، پسگزینش میگویند.
نکته عجیب بعد از پسگزینش ظاهر میشود. در این مرحله، دو حالت تکانهای کاوشگر با هم تداخل میکنند. هر کدام از این حالتها بهتنهایی حاصل یک کشش گرانشی هستند و تکانهای در جهت جاذبه به کاوشگر میدهند. اما پس از تداخل دو حالت با یکدیگر، تداخل ویرانگر بخش بیشتری از مؤلفههای مربوط به تکانه مثبت را تضعیف میکند. درنتیجه، میانگین تکانه حالت نهایی میتواند منفی شود، یعنی در جهت مخالف نیروی گرانش قرار بگیرد.
با اینکه در هر شاخه، گرانش همچنان کاوشگر را بهسمت جرم منبع میکشد، بعد از تداخل کوانتومی و پسگزینش، میانگین تکانه کاوشگر در برخی نتایج میتواند در جهت مخالف باشد. در این حالت، بهنظر میرسد کاوشگر از جرم منبع دور شده است، اثری که در این طرح از آن بهعنوان دافعه گرانشی مؤثر یاد میشود.
البته این به معنای نقض پایستگی تکانه یا پیداشدن یک نیروی ضدگرانش نیست. این اثر فقط در نتایجی دیده میشود که با پسگزینش انتخاب شدهاند. اگر همه نتایج آزمایش را در نظر بگیریم، اثر متوسط گرانش همچنان جاذبهای است. پس با یک نیروی دافعه واقعی روبهرو نیستیم؛ این رفتار نتیجه تداخل کوانتومی و انتخاب بخشی خاص از نتایج آزمایش است.
چرا این اثر با گرانش کاملاً کلاسیک جور درنمیآید؟
فرض کنیم جرم منبع در برهمنهی دو موقعیت A و B باشد، اما خود گرانش کاملاً کلاسیک باقی بماند. در این صورت، کاوشگر فقط با یکی از دو میدان گرانشی روبهرو میشود: گاهی میدان مربوط به A و گاهی میدان مربوط به B. یعنی درنهایت با یک مخلوط آماری از دو نیروی جاذبه طرفیم.
اما ترکیب آماری دو جاذبه، باز هم جاذبه است. اگر در هر دو حالت نیرو در یک جهت باشد، تغییر احتمال هر حالت نمیتواند ناگهان نیرویی در جهت مخالف بسازد. یک مخلوط کلاسیکی از برهمکنشهای گرانشی فقط میتواند جاذبه ایجاد کند؛ برای ظاهرشدن دافعه مؤثر، باید برهمکنشهای گرانشی بتوانند در یک برهمنهی کوانتومی قرار بگیرند و با هم تداخل کنند.
بههمیندلیل، مشاهده این اثر اهمیت زیادی دارد. اگر پس از تداخل و پسگزینش، میانگین تکانه کاوشگر در جهت مخالف جاذبه قرار بگیرد، دیگر نمیتوان آن را فقط با یک میدان گرانشی کلاسیک توضیح داد. چنین نتیجهای نشان میدهد که دو حالت متفاوت برهمکنش گرانشی باید بتوانند مانند حالتهای کوانتومی با هم تداخل کنند.
پس سؤال اصلی این نیست که «آیا میتوان گرانش را خاموش یا معکوس کرد؟» سؤال این است که آیا خود گرانش هم میتواند وارد برهمنهی شود و در تداخل کوانتومی نقش داشته باشد. اگر آزمایش چنین اثری را نشان دهد، میتواند شاهدی برای ماهیت کوانتومی گرانش باشد.
وقتی یک اثر خیلی کوچک، واضحتر دیده میشود
گرانش بین جرمهای خیلی کوچک آنقدر ضعیف است که بهراحتی میان نویزهای محیطی گم شود. برای همین، در این طرح از یک روش کوانتومی استفاده میشود تا اثر گرانش در بعضی از نتایج، واضحتر دیده شود.
ماجرا این است که در پایان آزمایش، همه نتایج را نگه نمیداریم و فقط نتایج خاصی را انتخاب میکنیم. اگر این انتخاب به شکل مناسبی انجام شود، تغییر تکانه کاوشگر در همین گروه کوچک از نتایج میتواند خیلی بیشتر از حالت معمول بهنظر برسد. به این روش تقویت مقدار ضعیف میگویند.
در یک نمونه محاسباتی، این اثر میتواند تا حدود ۵۰ برابر بزرگتر دیده شود. یعنی چیزی که در حالت عادی آنقدر کوچک است که شاید بهسختی اندازهگیری شود، در این نتایج خاص خیلی واضحتر خودش را نشان میدهد. البته این روش یک محدودیت مهم هم دارد: هرچه اثر بیشتر تقویت شود، احتمال بهدست آمدن همان نتیجه کمتر میشود. در این مثال، نتیجه موردنظر فقط حدود یک بار از هر ده هزار بار بهدست میآید.
پس قرار نیست خود گرانش واقعاً قویتر شود؛ فقط در تعداد کمی از نتایج، اثر آن پررنگتر و قابلاندازهگیریتر میشود.
آزمایش واقعی چه شکلی میتواند داشته باشد؟
برای جرم منبع، یکی از گزینههای مطرحشده نانوالماسی است که در شبکه بلوری آن یک مرکز نیتروژن ـ جایخالی وجود دارد. این مرکز نوعی نقص کنترلشده در ساختار الماس بهشمار میرود که در آن، یک اتم نیتروژن جای یکی از اتمهای کربن را میگیرد و کنار آن یک جای خالی در شبکه باقی میماند.
ویژگی مهم این نقص بلوری این است که میتوان با کمک میدانهای مغناطیسی، حرکت نانوالماس را به حالت اسپین وابسته و آن را وارد برهمنهی کرد. برای چنین آزمایشهایی، جرمهایی در حدود ۱۰ به توان منفی ۱۴ کیلوگرم و فاصلهای در حد صدها میکرومتر میان دو شاخه برهمنهی در نظر گرفته شده است.
کار برای کاوشگر کمی سادهتر است، چون لازم نیست خودش در برهمنهی دو مکان قرار بگیرد. کاوشگر میتواند یک اتم باشد یا حتی مجموعهای از اتمها در یک چگالش بوز–اینشتین. استفاده از تعداد زیادی اتم این مزیت را دارد که میتوان اثر بسیار کوچک گرانش را از روی رفتار آماری کل مجموعه بهتر تشخیص داد.
مثلاً میتوان اتمهای سزیم را مدتی در نزدیکی جرم منبع نگه داشت و بعد آنها را از تله آزاد کرد. پس از آزاد شدن، ابر اتمی بهتدریج پخش میشود و محل نهایی اتمها اطلاعاتی درباره تکانه آنها میدهد. درنتیجه، لازم نیست تغییر بسیار کوچک تکانه دقیقاً در لحظه برهمکنش اندازهگیری شود، میتوان کمی صبر کرد و اثر آن را از روی جابهجایی ابر اتمی دید.
اما اجرای آن هنوز ساده نیست
مشکل اصلی این است که اثر گرانش در چنین مقیاسی بسیار ناچیز است و اندازهگیری آن دقت بالایی میخواهد. بهعنوان مثال، اگر از اتمهای سزیم بهعنوان کاوشگر استفاده شود و دستگاه بتواند تغییری در حد یکهزارم پهنای اولیه توزیع تکانه را تشخیص دهد، با فاصلهای حدود ۵۰ میکرومتر و ضریب تقویت ۱۰۰، جرم منبع باید نزدیک ۱۰ به توان منفی ۷ ضربدر ۲ کیلوگرم، یعنی حدود ۲۰۰ میکروگرم باشد. این جرم حدود ده میلیون برابر بیشتر از جرمهایی است که در بعضی طرحهای نانوالماسی مطرح میشود.
یک راه دیگر این است که بهجای سنگینتر کردن جرم منبع، خود کاوشگر را سنگینتر کنیم. این کار از نظر فنی آسانتر است، چون کاوشگر لازم نیست در برهمنهی مکانی قرار بگیرد. در یک سناریوی دیگر، با کاوشگری در حدود ۱۰ به توان منفی ۲۰ کیلوگرم میتوان جرم منبع را در همان حدود ۱۰ به توان منفی ۱۴ کیلوگرم نگه داشت. البته در این حالت باید مدت بیشتری صبر کرد تا تابع موج کاوشگر به اندازه کافی پخش شود؛ در برآورد انجامشده، این زمان حدود ۱۰۰ ثانیه است.
پس ایده از نظر اصول فیزیکی شدنی بهنظر میرسد، اما ساخت آزمایشی که بتواند چنین اثر کوچکی را از میان همه نویزها و برهمکنشهای مزاحم بیرون بکشد، هنوز کار بسیار دشواری است. فاصله بین «روی کاغذ جواب میدهد» و «در آزمایشگاه دیده میشود» همچنان قابلتوجه است.
از کجا مطمئن شویم اثر واقعاً از گرانش آمده است؟
حتی اگر بتوان برهمنهی را حفظ کرد و تغییر بسیار کوچک تکانه را نیز اندازه گرفت، هنوز یک مشکل مهم باقی میماند: از کجا بدانیم چیزی که دیدهایم واقعاً اثر گرانش بوده است؟
گرانش میان چنین جرمهای کوچکی فوقالعاده ضعیف است و در محیط آزمایش نیروهای دیگری مانند بارهای الکتریکی ناخواسته و میدانهای خارجی نیز وجود دارند که میتوانند اثر بسیار بزرگتری ایجاد کنند. بنابراین، صرف دیدن یک جابهجایی غیرعادی کافی نیست. باید بتوان این اثرهای مزاحم را تا حد ممکن حذف کرد و نشان داد که نمیتوانند نتیجه مشاهدهشده را توضیح دهند. بههمیندلیل، اجرای واقعی چنین آزمایشی فقط به ساختن برهمنهی و اندازهگیری دقیق محدود نمیشود. کنترل محیط، کاهش نویز و جدا کردن اثر گرانش از نیروهای دیگر، بخش مهمی از ماجراست.
از طرف دیگر، اگر این پسزدن دیده نشود، باز هم نمیتوان فوراً نتیجه گرفت که گرانش کوانتومی نیست. ممکن است برهمنهی بهاندازه کافی دوام نیاورده باشد، حساسیت دستگاه کافی نباشد یا اثر موردنظر آنقدر کوچک باشد که در نویز گم شود. بنابراین، دیدن این اثر میتواند نتیجهای بسیار مهم باشد، اما ندیدن آن لزوماً پاسخ نهایی را به ما نمیدهد.
یک اثر کوچک، یک پرسش بزرگ
اگر روزی چنین آزمایشی با موفقیت انجام شود، مهمترین نتیجهاش این نیست که گرانش برای لحظهای دافعه شده است. نکته اصلی این خواهد بود که اثر گرانش توانسته در تداخل کوانتومی نقش داشته باشد؛ یعنی چیزی که همیشه آن را بخشی از دنیای کلاسیک میدانستیم، شاید خودش هم از همان قواعد عجیب کوانتومی پیروی کند.
این آزمایش هنوز با چالشهای بزرگی مانند حفظ برهمنهی یک جرم نسبتاً بزرگ تا جدا کردن اثر ناچیز گرانش از نویزها و نیروهای مزاحم، روبهرو است. اما اگر روزی آن حرکت بسیار کوچک و خلاف انتظار کاوشگر واقعاً دیده شود، شاید با یکی از مستقیمترین سرنخها درباره ماهیت خود گرانش روبهرو باشیم. و آن وقت سؤال بسیار بزرگتری پیش روی ما قرار میگیرد: اگر خود گرانش بتواند در برهمنهی باشد و مثل یک پدیده کوانتومی تداخل کند، آیا فضاـزمانی که جهان ما روی آن بنا شده هم در بنیادیترین سطح، کوانتومی است؟
نظر شما