يحاول العلماء الإجابة على أحد أكبر الأسئلة المفتوحة في الفيزياء
منذ أكثر من 70 عامًا، نشأت فكرة في مجتمع الفيزيائيين: استخدام المجالات المغناطيسية وخاصية الدوران (الزخم الزاوي الداخلي) للإلكترون، لجعل جسم من عالم الأجسام الكبيرة موجودًا في وقت واحد في مكانين، أي: تكون في حالة "التراكب". وقد نجحت مؤخراً مجموعة بحثية، بقيادة البروفيسور رون بولمان من قسم الفيزياء في جامعة بن غوريون في النقب، في تحقيق الفكرة، بل واقترحت نسخة متقدمة من جهاز قد يقدم إجابات مستقبلية لأحد الأسئلة المركزية في الفيزياء: هل هناك علاقة بين نظرية الكم والجاذبية؟
في القرن العشرين، حدثت ثورتان في مجال الفيزياء: النسبية (التي تتعامل أيضًا مع الجاذبية) ونظرية الكم. وكلاهما لا يزالان من ركائز الفيزياء الحديثة. ومن الأسئلة المفتوحة في هذا المجال لماذا لا ننجح في توحيد هاتين النظريتين الناجحتين في إطار نظرية واحدة ستسمى الجاذبية الكمية؟
اقترح فريق البحث التابع للبروفيسور بولمان طريقة لإجراء تجربة من شأنها فحص العلاقة بين النظريتين. في جوهر الفكرة يوجد جهاز (مقياس تداخل فريد) يعتمد على مبادئ نظرية الكم وقادر على السماح لجسم واحد بالوجود في مكانين في نفس الوقت. هناك أنواع عديدة من مقاييس التداخل، لكن مقياس التداخل الذي طوره البروفيسور بولمان وأعضاء مجموعته له أهمية خاصة لأنه مناسب للعمل مع الجسيمات ذات الكتلة الكبيرة (والتي، بطبيعة الحال، معرضة لتفاعل جاذبية كبير نسبيًا). الجهاز الفريد، الذي تمكنت المجموعة من تطويره، هو "مقياس تداخل كامل الحلقة يعتمد على تأثير ستيرن-جيرلاخ" أو باختصار "مقياس تداخل مغناطيسي".
يلف
قبل 100 عام بالضبط، أجريت تجربة تم فيها اكتشاف "تأثير ستيرن-غيرلاخ"، الذي سمي على اسم الفيزيائيين والتر غيرلاخ وأوتو ستيرن. يتم إطلاق شعاع من ذرات الفضة نحو الشاشة أثناء عبورها مجالًا مغناطيسيًا متفاوت القوة. يقوم المجال المغناطيسي بتقسيم الذرات إلى شعاعين. التفسير الكمي لهذا الانقسام هو أن الذرة هي في الواقع مغناطيس صغير لا يمكن أن يكون إلا في أحد الاتجاهين بالنسبة للمجال المغناطيسي، وبالتالي تؤثر عليه قوتان مغناطيسيتان. يُطلق على المغناطيس الداخلي للذرة (المرتبط بالزخم الزاوي الداخلي) اسم "الدوران".
في الخمسينيات من القرن الماضي، كان المنظر ديفيد بوم هو من اقترح إنشاء حلقة كاملة لتقسيم الأشعة وإعادة تجميعها: بعد الانقسام، يقوم المجال المغناطيسي بإيقاف الأشعة وتوجيهها نحو بعضها البعض، بحيث تتحد الأشعة مرة أخرى في أشعة واحدة. شعاع، بعد إجراء حلقة كاملة. هذه هي الطريقة التي تم بها إنشاء مقياس التداخل المغناطيسي. بعد أن يتواجد الجسم في مكانين في نفس الوقت (فرعي الحزمة)، فإنه يتحد مرة أخرى في جسم واحد، ومن خلال القياسات التي يتم إجراؤها على هذا الجسم الواحد، يمكن التعرف على الاختلافات في الظروف التي يعيشها الجسم. الجسم في المدارين، ظروف مثل تفاعل الجاذبية.
في الواقع، كان من الصعب جدًا تنفيذ مثل هذه الحلقة. وكان من الضروري ألا تتم إعادة أجزاء الذرة المنقسمة إلى نفس المكان فحسب، بل أيضًا بنفس السرعة تمامًا. تمكن العلماء من جامعة بن غوريون في النقب من التحكم في المجال المغناطيسي بمستوى عالٍ من الدقة باستخدام شريحة إلكترونية (مثل رقائق الكمبيوتر). بالإضافة إلى ذلك، فإن حزمة الذرات التي استخدموها لم تكن حزمة من ذرات الفضة، بل من ذرات الروبيديوم التي خضعت لعملية تبريد عميق إلى درجة حرارة قريبة من الصفر المطلق (ناقص 273 درجة مئوية)، بحيث أصبحت سيطرة العلماء على وكانت خصائص الذرة عالية جدا.
وقبل سنوات قليلة أجرى الفريق تجربة أخرى ذات غرض مماثل، حيث استخدموا ساعة ذرية مكونة من ذرة واحدة تم وضعها في مكانين في نفس الوقت، أحدهما أقرب من الآخر إلى الأرض (حسب النظرية) النسبية، الوقت يتأثر بالجاذبية). ومع ذلك، للوصول إلى نتائج لا لبس فيها في هذه التجربة، ستكون هناك حاجة إلى تحسينات كبيرة في أداء الساعات الذرية. تقترح المجموعة الآن وضع جسم ذي كتلة كبيرة جدًا في مقياس التداخل، بحيث لا تُهمل قوى الجاذبية المؤثرة عليه. وبهذه الطريقة سيتم الحصول على تجربة واحدة، ستعمل فيها نظرية الكم، والتي تسمح بوجود جسم واحد في مكانين في نفس الوقت، إلى جانب نظرية الجاذبية، تعتمد القوة التي تمارسها على حجم كتلة الجسم . ولن يكون من الممكن تفسير التجربة إلا من خلال الجمع بين النظريتين معًا.
ولإثبات جدوى التجربة الطموحة، قامت المجموعة البحثية، التي تسمى "مجموعة الرقائق الذرية"، بإجراء تجربة أولية، بدعم من المؤسسة الوطنية للعلوم. "في هذه المحاولة، استخدم العلماء ذرات مفردة، ومن ناحية أخرى، نفذوا العملية بأكملها المطلوبة للقيام بذلك بكتلة ثقيلة. يقول البروفيسور بولمان: "هذا الإنجاز له معنى مهم، لأنه ومن المحتمل أن إنشاء مثل هذا مقياس تداخل ستيرن-جيرلاخ، ذو الكتلة الكبيرة، سيعطينا أدلة جديدة فيما يتعلق بالطبيعة الكمومية للجاذبية، وبالتالي قد نتمكن من حل أحد الألغاز العظيمة في الفيزياء الحديثة.
والآن بعد أن يبدو أن هناك طريقة عملية للقيام بذلك، ستبدأ المجموعة، جنبًا إلى جنب مع مجموعات أخرى حول العالم، في تحقيق التجربة.
ضم فريق البحث: د. يائير مرغليت، السيد أور دوفكوفسكي، د. جيفان زو، السيد عمر عميت، د. يوناتان يافي، د. صموئيل موكوري، د. دانييل رورليتش، بروفيسور أنوبام مازومدر، بروفيسور سوجاتو بوز، الدكتور كارستن هنكل والبروفيسور رون بولمان.
الحياة نفسها:
يعيش البروفيسور رون بولمان في تل أبيب وهو أب لأربع بنات. وهو ناشط في مجال حقوق الإنسان والسلام، وناشط بيئي أيضًا. كما أنه يستثمر طاقته في الرياضة والرياضات الخطرة، من الكرة الطائرة، مرورًا بالتزلج على الجليد إلى الطيران. يُعرف رون أيضًا بأنه الشخص الذي رسم نسخة طبق الأصل من الرقم المنقوش على ذراع والده في أوشفيتز.
المزيد عن الموضوع على موقع العلوم:
