در نقطهای بین دنیای کوچک ذرات و اتمها و دنیای بسیار بزرگتری که هر روز تجربه میکنیم، رفتار کوانتومی به نظر میرسد محو میشود.
مکانیک کوانتومی به ذرات اجازه میدهد در ترکیبی از حالتهای ممکن وجود داشته باشند، پدیدهای که به عنوان برهمنهی شناخته میشود. این ویژگی عجیب الهامبخش آزمایش ذهنی معروف شرودینگر با گربهای بود که تا زمانی که مشاهده نشود، هم زنده است و هم مرده. اما اشیاء در دنیای روزمره به این شکل رفتار نمیکنند.
فیزیکدانان از دست رفتن این اثرات مشخصاً کوانتومی را واپاشی کوانتومی (decoherence) مینامند. دلیل دقیق وقوع واپاشی و اینکه آیا جاذبه نقشی در آن دارد یا خیر، همچنان یکی از پرسشهای باز اصلی در فیزیک بنیادی است.
اکنون، یک آزمایش جدید حمایت شده توسط FQxI یکی از توضیحات برجسته شامل جاذبه را حذف کرده است. یافتهها در ماه ژوئن ۲۰۲۶ در ژورنال جدید فیزیک منتشر شد.
«یکی از عمیقترین پرسشها در فیزیک مدرن این است که چرا رفتار کوانتومی عجیبی که بر اتمها و ذرات بنیادین حاکم است، به نظر میرسد در جهان ماکروسکوپی که هر روز تجربه میکنیم ناپدید میشود»، میگوید کاتالینا چورچیانو، عضو FQxI، مدیر تحقیقات و سخنگوی همکاری VIP در آزمایشگاه ملی فراسکاتی وابسته به موسسه ملی فیزیک هستهای ایتالیا (INFN-LNF).
آزمون نقش جاذبه در واپاشی کوانتومی
این آزمایش در آزمایشگاه ملی گرآن ساسو وابسته به موسسه ملی فیزیک هستهای ایتالیا (INFN-LNGS)، بزرگترین آزمایشگاه زیرزمینی جهان اختصاص داده شده به فیزیک بنیادی، انجام شد.
پژوهشگران بر روی مدلی تمرکز کردند که پیشنهاد میداد خودِ جاذبه میتواند به از بین بردن برهمنهیهای کوانتومی کمک کند.
بر اساس نظریه نسبیت عام اینشتین، اجسام سنگین بافت فضا-زمان را خم میکنند. در دهه ۱۹۶۰، فریگیش کارویهازی، فیزیکدان نظری مجارستانی، پیشنهاد کرد که فضا-زمان ممکن است نوسانات جزئی و اجتنابناپذیری را نیز تجربه کند.
در مدل او، آن نوسانات به تدریج برهمنهیهای کوانتومی را مختل میکنند. این فرآیند میتواند به توضیح اینکه چرا اشیاء بزرگ در ترکیبات عجیب حالتهای مجاز توسط مکانیک کوانتومی، مانند وضعیت مرده و زنده تصور شده در آزمایش ذهنی گربه شرودینگر، باقی نمیمانند، کمک کند.
ایده کارویهازی همچنان توجه را جلب کرده و اخیراً توسط آنجلو باسی، عضو FQxI، و همکارانش احیا، اصلاح و دوباره فرمولبندی شده است.
جستجو برای امضای تابش ضعیف
نوسانات فضا-زمان پیشبینی شده را نمیتوان مستقیماً تشخیص داد. اما اگر وجود داشته باشند، باید یک اثر جانبی قابل اندازهگیری داشته باشند.
آنها باعث میشوند ذرات باردار الکتریکی به صورت تصادفی حرکت کرده و شتاب بگیرند. در عوض، آن ذرات باید تابش الکترومغناطیسی بسیار ضعیفی ساطع کنند.
تشخیص چنین سیگنال ضعیفی دشوار است زیرا به راحتی میتواند زیر تابش سایر منابع، از جمله پرتوهای کیهانی، دفن شود.
به همین دلیل گرآن ساسو بسیار مفید است. این آزمایشگاه در زیر ۱.۴ کیلومتر سنگ کاهشدهنده تابش قرار دارد که بخش زیادی از تداخل پسزمینه را مسدود میکند که در غیر این صورت جستجو را پیچیده میساخت.
«حفاظت طبیعی فراهم شده توسط سنگ، یکی از آرامترین محیطها روی زمین را برای تشخیص پدیدههای فیزیکی بسیار نادر ایجاد میکند»، میگوید چورچیانو.
پژوهشگران از آشکارسازی استفاده کردند که حول یک قطعه بلور ژرمانیوم با خلوص بالا به اندازه یک فنجان قهوه ساخته شده بود و توسط لایههای اضافی مس و سرب محافظت میشد.
آنها به مدت ۶۲ روز داده جمعآوری کردند، سپس مقدار تابش پسزمینهای که انتظار داشتند ببینند را حذف کردند. آنچه باقی ماند با الگوی تابش پیشبینی شده توسط مدل کارویهازی مقایسه شد.
نتیجه ساده بود: هیچ سیگنالی ظاهر نشد.
ضربه به یک نظریه مهم
این یافته ثابت نمیکند که جاذبه هیچ ارتباطی با واپاشی کوانتومی ندارد.
در عوض، یک نسخه مهم از آن ایده را رد میکند و مرزهای تنگتری برای نظریههای آینده که جاذبه را به مکانیک کوانتومی مرتبط میکنند، ارائه میدهد.
«این نبود سیگنال خودش یک نتیجه علمی بزرگ است»، میگوید چورچیانو. «با رد کردن یکی از قدیمیترین و طبیعیترین مدلهای واپاشی کوانتومی القایی توسط جاذبه، این کار جستجو برای نظریهای که تعامل بین جاذبه و مکانیک کوانتومی را توصیف میکند محدود کرده و ما را یک قدم به درک یکی از عمیقترین اسرار فیزیک بنیادی نزدیکتر میکند.»
از نظریه کوانتومی تا فیزیک قابل آزمون
مدل کارویهازی بر این ایده استوار است که طبیعت ممکن است محدودیتی بنیادین بر میزان دقت تعیین موقعیت یک شیء یا اندازهگیری فاصله تحمیل کند.
از زمان پیشنهاد این مدل، ایدههای مشابهی در چندین تلاش مدرن برای وحدت بخشیدن به جاذبه و مکانیک کوانتومی، از جمله نظریه ریسمان و گرانش کوانتومی حلقه، ظاهر شدهاند.
«هر رویکرد گرانش کوانتومی در نهایت به پیشبینی وجود یک طول حداقلی مرتبط با عدم قطعیت در اندازهگیری فضا-زمان ختم میشود»، میگوید کریستیان پیسیکیا، فیزیکدان کوانتومی در مرکز تحقیقات انریکو فرمی/INFN/VIP در ایتالیا و سرپرست آزمایشی مطالعه جدید.
گرانش کوانتومی اغلب موضوعی دیده میشود که بسیار فراتر از دسترس آزمایشهای امروزی است. اما این مطالعه به شواهد رو به رشدی اضافه میکند که حداقل برخی پیشبینیهای شامل هر دو جاذبه و مکانیک کوانتومی میتوانند از قبل مورد آزمایش قرار گیرند.
«آزمایشهای دقیق اکنون به سطحی از حساسیت رسیدهاند که میتوانند ایدههایی را که تا اخیراً تقریباً منحصراً متعلق به حوزه گمانهزنیهای نظری بودند، مورد آزمایش قرار دهند»، میگوید چورچیانو. «با بهبود حساسیت، مرز بین نظریه و اندازهگیری همچنان در حال جابهجایی است و امکانهای جدیدی برای کشف اصول بنیادین حاکم بر جهان ما باز میکند.»
این تحقیق توسط موسسه سوالات بنیادی (FQxI) از طریق برنامه «آگاهی در جهان فیزیکی» حمایت شد.
«نوع تحقیقی که FQxI تشویق میکند، تیمها را در نسلها، مرزها و رشتههای مختلف گرد هم میآورد»، میگوید چورچیانو. «این واقعاً میتواند به عنوان مراکز پرورش ایدههای جدید عمل کند.»