ما هي المرايا فائقة البرودة نحو حدود الجاذبية

الصفر المطلق هو ​​النقطة التي تتوقف فيها الذرات والجزيئات عن الحركة تمامًا؛ ومع ذلك تقول ميكانيكا الكم أن الغياب التام للحركة غير ممكن حقًا بسبب مبدأ عدم اليقين، بدلاً من ذلك، في ميكانيكا الكم، تتوافق درجة حرارة الصفر المطلق مع “الحالة الأرضية الحركية وهي الحد الأدنى النظري للحركة التي يمكن أن يمتلكها الجسم.

كتلة 10 كيلوغرامات في تجربة ما أثقل بحوالي 10 تريليون مرة من الكتلة الأثقل السابقة التي تم تبريدها إلى هذا النوع من درجات الحرارة؛ وتم تبريدها إلى حالتها الأرضية الحركية تقريبًا، ويُعد العمل المنشور اليوم في (Science) خطوة مهمة في السعي المستمر لفهم الفجوة بين ميكانيكا الكم، والعلم الغريب الذي يحكم الكون بمقاييس صغيرة جدًا – والعالم المجهري.

الخطط جارية بالفعل لتحسين التجربة في مراصد موجات الجاذبية الأكثر حساسية في المستقبل، وقد تقدم النتائج نظرة ثاقبة على التناقض بين ميكانيكا الكم ونظرية النسبية العامة، التي تصف الجاذبية وسلوك الكون على نطاقات كبيرة جدًا.

كيف تعمل المرايا فائقة البرودة نحو حدود الجاذبية

يكتشف LIGO موجات الجاذبية باستخدام أشعة الليزر التي يتم إطلاقها عبر الأنفاق الطويلة وترتد بين زوجين من المرايا التي يبلغ وزنها 40 كيلوغرامًا؛ ثم يتم دمجها لإنتاج نمط تداخل، وتظهر التغييرات الطفيفة في المسافة بين المرايا كتقلبات في شدة الليزر؛ حيث يتم التحكم في حركة المرايا الأربعة بدقة شديدة لعزلها عن أي اهتزازات محيطة بها وحتى للتعويض عن تأثير ضوء الليزر المرتد عنها.

قد يكون من الصعب فهم هذا الجزء؛ ولكن يمكن أن نظهر رياضيًا أن الاختلافات في حركة المرايا الأربع التي يبلغ وزنها 40 كيلوغرامًا تعادل حركة مرآة واحدة تزن 10 كيلوغرامات، وما يعنيه هذا هو أن نمط تغيرات شدة الليزر الذي نلاحظه في هذه التجربة هو نفس ما نراه من مرآة واحدة تزن 10 كيلوغرامات.

على الرغم من أن درجة حرارة المرآة التي يبلغ وزنها 10 كيلوغرامات يتم تحديدها من خلال حركة الذرات والجزيئات التي تتكون منها  فإن العلماء لا تقيس حركة الجزيئات الفردية، وبدلاً من ذلك ولأنها طريقة قياس موجات الجاذبية إلى حد كبير فإنهم قاسو متوسط ​​حركة جميع الذرات (أو حركة مركز الكتلة).

وهناك على الأقل العديد من الطرق التي يمكن أن تتحرك بها الذرات؛ لكن يقيسون واحدة فقط من تلك الطرق، وحركة الرقص المحددة لجميع الذرات معًا هي الوحيدة التي قاموا بتبريدها، والنتيجة هي أنه بينما تظل المرايا المادية الأربعة في درجة حرارة الغرفة وستكون دافئة عند لمسها؛ فإن متوسط ​​حركة نظام 10 كيلوغرامات يكون فعليًا عند 0.77 نانو كلفن، أو أقل من واحد من المليار من درجة فوق الصفر المطلق.

استخدام نظام الضوء المضغوط في المرايا فائقة البرودة نحو الجاذبية

هي تصميم وتركيب واختبار نظام “الضوء الكمومي” في الكاشف؛ حيث ينشئ هذا النظام ويحقن مجالًا كميًا مصممًا بشكل خاص في الكاشف؛ مما يجعله أكثر حساسية لحركة المرايا، وبالتالي أكثر حساسية لموجات الجاذبية.

يستخدم نظام الضوء المضغوط نوعًا خاصًا من البلورات لإنتاج أزواج من الفوتونات شديدة الارتباط أو المتشابكة؛ مما يقلل من كمية الضوضاء في النظام.

كيف يتم قياس الجاذبية باستخدام الذرات

نُشر أول عرض لقياس تسارع الجاذبية باستخدام قياس التداخل بالذرة الباردة منذ حوالي ثلاثين عامًا، وتم ذلك لاحقًا بدقة أعلى، حيث يمكن فهم طريقة عمل مقاييس التداخل الذري عن طريق القياس مع مقاييس التداخل الضوئية باستخدام أدوات بصريات الذرة المصنوعة من هياكل المواد أو في كثير من الأحيان ضوء الليزر؛ حيث يتم تقسيم الحزمة الموجية للذرات التي تدخل النظام وانعكاسها وإعادة تجميعها عند الإخراج.

يمكن ملاحظة إشارة التداخل في حالة عدم توفر معلومات عن الاتجاه، بشكل عام يمكن اعتبار قياس التداخل الذري كمثال على التداخل الكمي بسبب المسارات المختلفة التي تربط بين الحالة الأولية والنهائية للنظام، ثم أن أي تأثير فيزيائي مثل الجاذبية يعمل بطريقة مختلفة للمسارات المختلفة سيؤدي إلى تغيير نمط التداخل، ومن خلال قياس هذا التغيير يمكن دراسة التأثير.

تعتمد التجارب الحديثة عادة على مخططات قياس التداخل الذري، حيث يتم تقسيم الحزم الموجية للذرات الباردة المتساقطة بحرية وإعادة تجميعها بنبضات الليزر، وتُستخدم انتقالات رامان ثنائية الفوتون أو براغ أو انتقالات الفوتون الفردي على خطوط فائقة الضيق لمنع عمليات الانبعاث التلقائي، حيث ينتج عن تسارع الجاذبية g تغيرًا في الطور عند خرج مقياس التداخل.

كيف يتم تبريد أكبر الأجسام إلى حد الكم

قام الفيزيائيون العاملون في أكبر مرصد للموجات الثقالية في العالم بتبريد أجهزتهم إلى ما يقرب من الصفر المطلق في محاولة لاستكشاف ما يسمى بـالحد الكمي، أو النقطة التي تتعطل عندها القواعد التي تحكم الجسيمات دون الذرية.

إذ أن الغرض من هذا وفقًا للباحثين ليس دراسة موجات الجاذبية، ولكن لفهم سبب عدم اتباع الأجسام الأكبر لقواعد ميكانيكا الكم؛ والتي يعتقد بعض الفيزيائيين أنها قد تكون بسبب التأثيرات المدمرة للجاذبية والتي قد يتسبب في فك الأجسام في المقاييس الكبيرة، بحيث لا تكون قواعد كمومية بل قواعد عيانيه بدلاً من ذلك. 

في الدراسة الجديدة قام الباحثون في مرصد موجات الجاذبية بالليزر (LIGO) بتبريد أربعة من مرايا التجربة؛ يزن كل منها حوالي 90 رطلاً (40 كيلوغرامًا)، من درجة حرارة الغرفة إلى 77 نانوكلفن (ناقص 459.6699998614 درجة فهرنهايت)؛ مما قلل من اهتزازات ذراتهم إلى أعلى بقليل من أدنى مستوى تسمح به قواعد ميكانيكا الكم.

حقق هذا الإنجاز قفزة هائلة في حجم جسم يمكن تبريده إلى هذا الحد، وحتى الآن فإن أكبر شيء تم تبريده تمامًا إلى أدنى مستوى طاقة ممكن أو الحالة الأرضية هو حبة زجاجية بعرض 150 نانومتر (6 × 10 ^ ناقص 6 بوصات) تزن بضعة كسور من الجرام.

خصائص هذه المرايا الباردة

إن القدرة على مراقبة خاصية معينة لهذه المرايا تقترب من حالة الأرض الكمومية هي نتاج ثانوي لتحسين LIGO في السعي إلى القيام بالمزيد من علم فلك الموجات الثقالية وأفضلها؛ ولكنها قد تقدم أيضًا رؤى حول السؤال المزعج لميكانيكا الكم والجاذبية.

في المقاييس الصغيرة جدًا؛ تسمح ميكانيكا الكم بالعديد من الظواهر الغريبة مثل أن تكون الأجسام موجات وجزيئات أو تبدو موجودة في مكانين في نفس الوقت؛ ومع ذلك على الرغم من أن العالم المجهري الذي نراه مبني من أجسام صغيرة يجب أن تمتثل للظواهر الكمومية، فإنه لا يمكن رؤية هذه التأثيرات الكمومية على نطاقات أكبر.

إحدى النظريات حول سبب حدوث ذلك هي فكرة فك الترابط، ويشير هذا إلى أن الحرارة والاهتزازات من محيط النظام الكمومي تعطل حالتها الكمومية وتجعلها تتصرف كجسم صلب مألوف.