فیزیکدانان نیروی جاذبه بین کوچکترین جرم ها را اندازه گیری می کنند


مارکوس آسپلمایر ، فیزیکدان ، به وضوح از روزی نزدیک به یک دهه پیش به یاد می آورد ، هنگامی که یک بازدید کننده از آزمایشگاه خود ، جاذبه صندلی دفتر خود را برای اندازه گیری ضعیف اعلام کرد. قابل اندازه گیری است یا نه ، این نیرو قطعاً باید وجود داشته باشد. از زمان کار آیزاک نیوتن در سال 1687 ، فیزیکدانان گرانش را جهانی دانسته اند: هر جسم یک نیروی جاذبه متناسب با جرم خود بر روی همه چیز در اطراف خود اعمال می کند. نظر بازدید کننده برای بازگرداندن گفتگوی فوق العاده خارق العاده به زمین بود ، اما آسپلمیر ، استاد دانشگاه وین ، آن را به عنوان یک چالش در نظر گرفت. “قطعنامه من این بود ،” خوب ، من نه تنها میدان گرانشی این صندلی را اندازه گیری می کنم ، بلکه ما کوچک ، کوچک ، کوچک خواهیم شد! ” او به یاد می آورد.

تلاش های تحقیقاتی که در آن روز متولد شده اند اکنون اولین نتیجه را به دست آورده اند: اندازه گیری نیروی جاذبه بین دو کره کوچک طلایی ، هر یک تقریباً به اندازه نصف یک دانه کنجد و وزن تا چهار دانه برنج – کوچکترین توده هایی که وزن آنها به اندازه گیری امروز است تاریخ. نتایج منتشر شده در طبیعت امروزه فیزیكدانان را یك قدم به هدف دورتر سازش گرانش با مكانیك كوانتوم نزدیكتر می كنیم ، نظریه ای كه در همه فیزیكهای غیر گرانشی نهفته است.

جاذبه دقیق

درک اینکه جاذبه چقدر غیرمعمول ضعیف است برای چنین توده های کوچکی دشوار است. نیروی جاذبه یک کره (“جرم شروع”) کره دیگر (“جرم آزمایش”) در فاصله چند میلی متر حدود 100 میلیون بار کمتر از نیروی ریزش دانه برف است. چالش اصلی تیم آسپلمیر طراحی آشکارساز بسیار حساس به این نیروی گرانشی بود ، اما نسبت به نیروهای زمینه بسیار بزرگتر کاملاً حساس نبود و میز آزمایش را از هر طرف فشار می داد و می کشید.

محققان با کمک ردیاب موسوم به آونگ پیچشی که به نظر می رسد نسخه مینیاتوری تلفن همراه بالای تختخواب آویزان شده است ، به این حساسیت دست یافتند. کره جرم آزمایش به یک انتهای یک میله نازک ثابت شده است ، که در وسط توسط فیبر کوارتز به ضخامت چهار میکرون معلق است.. کره ای یکسان در انتهای دیگر میله به عنوان وزنه مقابل عمل می کند. نیروی وارد شده بر روی جرم آزمایش باعث چرخش آونگ پیچشی می شود زیرا با نیروی ترمیمی حاصل از پیچ خوردگی فیبر متعادل می شود. چنین الیاف نازکی بسیار سازگار است ، به طوری که حتی نیروی بسیار کم نیز چرخش نسبتاً زیادی ایجاد می کند. بسیار مهم است که آونگ پیچشی نسبت به نیروهای موجود در اجسام دور که جرم آزمایش و وزن متعادل را بهم می کشند و بنابراین چرخشی ایجاد نمی کنند بسیار حساس نباشد.

مفهومی برای هنر گرانش دقیق.
گرانش را می توان ناشی از تحریف فضا-زمان دانست که در این برداشت از هنرمند نشان داده شده است. اعتبار: Arkitek Scientific

اما حتی این طراحی هوشمندانه آونگ پیچشی نیز جدول آزمایش را از محیط شلوغ شهری روزانه وین جدا نمی کند. آسپلمیر توضیح می دهد: “نقاط شیرین همیشه بین نیمه شب و 5 صبح هستند وقتی که در خیابان مردم نیستند.” “[But] این برای جمعه یا شنبه درست نبود. “

برای اندازه گیری نیروی گرانش جرم منبع ، محققان آن را فقط در نزدیکی جرم آزمایش قرار نمی دهند. در عوض ، آنها آن را به فاصله متوسط ​​چند میلی متر به عقب و جلو منتقل کردند. این تکنیک که مدولاسیون نامیده می شود ، در طراحی سیگنالهای چرخش دوچرخه و چراغهای چشمک زن ضمنی است: سیگنالهای منظم و منظم در پس زمینه نویز ثابت پس زمینه بسیار بیشتر از سیگنالهای ثابت دیده می شوند. مطمئناً دانشمندان یک نیروی نوسانی را دقیقاً با فرکانس مناسب مشاهده می کنند. آنها سپس این فرآیند را بارها تکرار کردند و میانگین جدایی بین توده ها و اندازه گیری نیروها را از 10 تا 90 فمتنتون در مقاطع بین 2.5 و 5.5 میلی متر تغییر دادند. تیم تحقیق این اطلاعات را با قانون ثانویه معکوس معروف درجه دوم نیوتن مقایسه می کند ، که توصیف می کند نیروی جاذبه بین دو جسم به جدا شدن آنها بستگی دارد: داده ها مطابق با قانون نیوتن تا نزدیکترین 10 درصد است.

“[That] شما می توانید این نیروهای واقعاً ، واقعاً بسیار کوچک را بسنجید – من فکر می کنم که این بسیار شگفت انگیز است. “، استفان شلممینگر ، فیزیکدان در انستیتوی ملی استاندارد و فناوری که گرانش را مطالعه می کند گفت:

اما تیم آسپلمایر هنوز نمی تواند پیروزی را اعلام کند: هنوز باید امکان تعدیل منبع جرم را برای تولید نیروهای دیگر روی میز آزمایش که در همان فرکانس نوسان می کنند ، رد کند. نوسان دوره ای جرم پشتیبانی کننده از دستگاه آزمایشی ، ناشی از عقب رفتن از حرکت به سختی قابل مشاهده جرم اولیه ، فقط یکی از بسیاری از سردرگمی هایی است که محققان باید با دقت محاسبه کنند. سرانجام ، آنها دریافتند که تمام نیروهای شناخته شده غیر گرانشی حداقل 10 برابر از تعامل گرانشی کوچکتر خواهند بود.

رسیدن به مقیاس های کوانتومی

آسپلمایر معتقد است که آونگ پیچشی بهبود یافته نسبت به جاذبه 5000 برابر کوچکتر و در عین حال سبک تر از مژه حساس خواهد بود. هدف نهایی آن آزمایش تجربی با ماهیت کوانتومی گرانش است ، سوالی که نزدیک به یک قرن است فیزیکدانان را دچار مشکل کرده است. مکانیک کوانتوم یکی از موفق ترین و دقیق ترین نظریه های آزمایش شده در کل علوم است: همه چیز از رفتار ذرات زیر اتمی گرفته تا فیزیک نیمه هادی را توصیف می کند ، که محاسبات مدرن را امکان پذیر می کند. اما تلاش ها برای توسعه نظریه کوانتومی گرانش بارها و بارها با پیش بینی های متناقض و بی معنی مانع شده است.

ذراتی که توسط مکانیک کوانتوم توصیف شده است به طرز چشمگیری ضد شهودی رفتار می کنند. یکی از عجیب ترین انواع رفتار کوانتومی ، شکل خاصی از همبستگی به نام درهم آمیختگی است: وقتی دو ذره در هم گره می خورند ، سرنوشت آنها پیوند ناگسستنی دارند و نمی توان آنها را جداگانه توصیف کرد. درهم تنیدگی و سایر اثرات کوانتومی در سیستم های بسیار کوچک و کاملاً منزوی مانند اتم ها و مولکول ها بیشتر قابل توجه است و در مقیاس بزرگتر که جاذبه اهمیت دارد ، به طور فزاینده ای شکننده می شوند. تا همین اواخر ، آزمایش های جاذبه کوانتوم بسیار فراتر از آزمایش های آزمایشگاهی به نظر می رسید.

اما در چند سال گذشته ، پیشرفت تجربی قابل توجهی در زمینه شناسایی اثرات کوانتومی خوب در سیستم های همیشه بزرگتر حاصل شده است. در پایان سال 2017 ، دو گروه از فیزیكدانان نظری به طور مستقل آزمایشی جاه طلبانه اما احتمالاً عملی را ارائه دادند كه می تواند در مورد ماهیت كوانتومی گرانش اظهارنظر قطعی كند. این نیرو اندازه گیری خواهد کرد که آیا گرانش می تواند دو ذره کوانتوم را در هم پیچید یا خیر اگر چنین است ، “ما نمی توانیم از این واقعیت فرار کنیم که باید به نوعی غیرکلاسیک باشد” ، کیارا مارلتو ، فیزیکدان نظری در دانشگاه آکسفورد که یکی از نویسندگان یکی از پیشنهادها را با همکار آکسفورد خود ، ولاتکو ودرال نوشت ، گفت.

مشاهده گره خوردگی ناشی از گرانش ابتکاری خواهد بود. اما یک نمایش قانع کننده که گرانش مکانیکی کوانتومی است ، مستلزم اثبات برهمکنش دو ذره است. فقط توسط نیروی جاذبه تلاش های آسپلمایر برای جداسازی نیروهای گرانشی بین توده های به تدریج كوچكتر ، گامی حیاتی در جهت چنین آزمایش نهایی است. سوگاتو بوز ، فیزیکدان نظری در کالج دانشگاه لندن که با 9 نفر از همکاری کنندگان ، پیشنهاد دیگر را نوشت ، گفت: “با تغییر کوانتوم از کوچک به بزرگ ، گرانش و کوانتوم احتمالاً جایی در وسط قرار می گیرند.”

آسپلمیر می گوید: “این س whetherال که آیا گرانش کاملاً کوانتومی رفتار می کند ، یک سوال تجربی است”. “ما نمی توانیم صبر کنیم تا نه متری قدم بزنیم و ببینیم اوضاع چگونه رقم می خورد.”


منبع: khabar-nab.ir

دیدگاهتان را بنویسید

Comment
Name*
Mail*
Website*