دانشمندان جاذبه گرانشی را بین کوچکترین اجسامی که هنوز در جستجوی گرانش کوانتومی هستند اندازه گیری می کنند: ScienceAlert

ما عادت کرده‌ایم به گرانش در زمینه توده‌های بزرگ فکر کنیم – گرداب سیارات، کشش غیرقابل تحمل یک سیاه‌چاله.

اما هر چیزی که جرم دارد، هر چقدر هم که کوچک باشد، بر هر چیز دیگری کشش گرانشی وارد می کند.

با این حال، یک محدودیت مورد انتظار وجود دارد که دینامیک کلاسیک به زیبایی توصیف شده توسط نسبیت عام باید به نحوی با هرج و مرج زیبای مکانیک کوانتومی کنار بیاید.

چگونه آن حد را پیدا کنیم؟ با تلاش برای اندازه‌گیری برهمکنش‌های گرانشی در مقیاس‌های کوچک‌تر، همیشه تکنیک‌ها را بهبود می‌بخشیم تا روزی بتوانیم به آنچه درون آن نهفته است نگاهی بیاندازیم.

و اکنون، فیزیکدانان به رهبری شان- چینگ یانگ از دانشگاه سان یات سن در چین، نقطه عطف جدیدی را اعلام کرده اند – اندازه گیری کشش گرانشی بین کوچکترین جفت جرم تا به حال، دو ویفر سیلیکونی که هر کدام فقط 7.6 میلی گرم وزن دارند.

درست است، آنها در مقاله ای که در آن منتشر شده است می نویسند ارتباطات طبیعت“گامی مهم در جهت غلبه بر رژیم های کلاسیک و کوانتومی گرانش”.

نسبیت عام و نظریه کوانتومی دو روش متفاوت برای توصیف ریاضی رفتار جهان در مقیاس های مختلف هستند.

نسبیت گرانش را به عنوان انحنای بافت پیوسته فضا-زمان توصیف می کند، در حالی که مکانیک کوانتومی رفتار ماده و انرژی را با استفاده از ریاضیات احتمال توصیف می کند.

هر دو نظریه در زمینه های مربوط به خود به طرز شگفت انگیزی موفق هستند، اما چارچوب های ریاضی آنها به خوبی با هم تطابق ندارد و فیزیکدانان را بدون شرح کامل از نحوه رفتار گرانش در هنگام وارد شدن اثرات کوانتومی باقی می گذارد.

برای یافتن دروازه ای به این رژیم، فیزیکدانان در سال های اخیر به آزمایشی روی آورده اند که توسط دانشمند انگلیسی قرن هجدهم هنری کاوندیش معروف شده است، آزمایشی که می تواند کشش گرانشی بین توده های نسبتاً کوچک را از کشش عظیم زمین جدا کند.

آزمایش کاوندیش شامل یک تعادل پیچشی با وزنه‌های سربی متصل به هر انتهای میله‌ای آویزان افقی و وزنه‌های سربی بزرگ‌تر در نزدیکی آن بود.

جاذبه بین وزنه‌های مجاور و وزنه‌های روی میله باعث می‌شود میله بچرخد، سیمی را که از آن آویزان شده است بپیچد و به کاوندیش اجازه دهد تا کشش گرانشی را بر اساس میزان پیچش سیم اندازه‌گیری کند.

در سال 2021، تیمی از فیزیکدانان سبک‌ترین تظاهرات کاوندیش را در آن زمان توصیف کردند – اندازه‌گیری جاذبه گرانشی بین دو کره کوچک طلا که هر کدام حدود 92 میلی گرم وزن داشتند.

و در مقاله خود، آنها را به چالش کشیدند تا پاکت را حتی بیشتر جلو ببرند.

یانگ و همکارانش ظاهرا پذیرفتند.

نسخه آنها از آزمایش کاوندیش با طعم خاصی همراه است.

محققان با استفاده از تکنیکی به نام حکاکی عمیق سیلیکونی، یک تعادل پیچشی مینیاتوری با یک ویفر سیلیکونی کوچک به وزن تنها 7.6 میلی گرم در یک سر میله معلق و یک وزنه تعادل در سمت دیگر ساختند.

اما به جای قرار دادن یک جرم مجزا برای اعمال کشش گرانشی، تیم یک چرخ چرخشی با 16 ویفر سیلیکونی یکسان ساختند که در اطراف محیط آن چیده شده بودند.

همانطور که چرخ می چرخید، هر صفحه به نوبه خود از نزدیک میز آزمایش عبور کرد و کشش گرانشی خفیفی را اعمال کرد.

چرخ هر 10 دقیقه یکبار می چرخد، به این معنی که کشش گرانشی خود را 16 بار در هر چرخش تکرار می کند – یک سیگنال تکراری واضح که محققان می توانند آن را از نویز پس زمینه تشخیص دهند.

کل دستگاه در یک محفظه خلاء با یک غشای سیلیکونی نازک با روکش طلا محصور شده بود که توده های دوار را از تعادل پیچشی جدا می کند تا تداخل نیروهای الکترواستاتیک را به حداقل برساند.

و به جای اینکه ترازو آزادانه بچرخد، محققان از یک سیستم بازخورد الکترونیکی استفاده کردند تا آن را تقریباً کاملاً ثابت نگه دارند و نیروی مورد نیاز برای مقابله با کشش گرانشی را اندازه‌گیری کنند.

هنگامی که آنها به گشتاور موجود در ترازوی پیچشی نگاه کردند، کشش گرانشی را یافتند که با پیش‌بینی‌های نیوتن مطابقت داشت – از جمله کشش دقیقه‌ای که فقط با 471 آتون‌نیوتن یا 0.00000000000000000471 نیوتن در نزدیک‌ترین فاصله محاسبه شده بود.

برای زمینه، این حدود 20 میلیارد بار ضعیف تر از نیروی گرانشی است که یک دانه 1 میلی گرمی شن را روی سطح زمین نگه می دارد.

محققان دریافتند که حتی در این مقیاس‌های تقریباً نجومی کوچک، قانون جهانی گرانش نیوتن همچنان پابرجاست.

از اندازه‌گیری‌های خود، آن‌ها حتی توانستند ثابت گرانشی (G) را محاسبه کنند و مقداری مطابق با مقدار توصیه شده بین‌المللی را با عدم قطعیت 5.3 درصد بدست آورند.

واضح است که این هنوز به گرانش کوانتومی نزدیک نیست. اما این یک قدم مهمتر از ما است.

برای نزدیک‌تر شدن، فیزیکدانان در حال توسعه طیف وسیعی از تکنیک‌ها برای اندازه‌گیری گرانش در مقیاس‌های کوچک‌تر هستند، از تعادل‌های پیچشی مانند یانگ گرفته تا سیستم‌هایی که اجسام کوچک را با استفاده از نور یا میدان مغناطیسی معلق می‌کنند.

هر رویکرد با چالش های خاص خود همراه است، به ویژه نیاز به حذف تداخل و حفظ حالات کوانتومی ظریف اجسام مورد مطالعه.

در نهایت، هدف اندازه‌گیری گرانش بین اجسامی است که رفتارشان توسط مکانیک کوانتومی کنترل می‌شود، تا ببینیم آیا گرانش خود ویژگی‌های کوانتومی دارد یا خیر.

این رویکردهای مختلف با هم این امید را ایجاد می کند که چنین اندازه گیری ممکن است در دسترس باشد.

یانگ و همکارانش می نویسند: “توسعه مستمر این رویکردها، که هر کدام در رژیم های توده ای متمایز اما به طور فزاینده ای با هم تداخل دارند، این نوید را دارد که فعل و انفعالات گرانشی بین اجرام حالت کوانتومی را می توان در آینده قابل پیش بینی مشاهده کرد.”

این مطالعه در منتشر شد ارتباطات طبیعت.