منذ أكثر من 70 عامًا، نشأت فكرة بين علماء الفيزياء لاستخدام المجالات المغناطيسية وخاصية ذرية تسمى الدوران من أجل وضع الجسم في مكانين في نفس الوقت. والآن، نجح فريق بحث من جامعة بن غوريون في النقب في تنفيذ الفكرة، بل واقترح نسخة متقدمة من الجهاز من شأنها أن تقدم إجابات مستقبلية لأحد الأسئلة المركزية في الفيزياء: هل هناك علاقة بين نظرية الكم؟ والجاذبية؟
شريحة مختومة تُستخدم لإنشاء مخبر يعتمد على المغناطيس: تصوير: يائير مارجاليت
في القرن العشرين، حدثت ثورتان في مجال الفيزياء: النسبية (التي تتعامل أيضًا مع الجاذبية) ونظرية الكم. وكلاهما لا يزالان من ركائز الفيزياء الحديثة. أحد الأسئلة المفتوحة في الفيزياء الحديثة هو لماذا فشلوا في توحيد هاتين النظريتين الناجحتين في نظرية واحدة تسمى الجاذبية الكمية؟
في مقال نشر في المجلة علم السلف تمكنت من شرح مجموعة بحثية بقيادة البروفيسور رون بولمان من قسم الفيزياء في جامعة بن غوريون في النقب كيفية إجراء تجربة تختبر العلاقة بين النظريتين.
وفي جوهر الفكرة يوجد جهاز يعتمد على مبادئ نظرية الكم وقادر على وضع جسم واحد في مكانين في نفس الوقت. يسمى الجهاز مقياس التداخل. هناك أنواع عديدة من مقاييس التداخل، لكن مقياس التداخل الذي تم تطويره لأول مرة له أهمية خاصة لأنه مناسب للعمل مع الجسيمات ذات الكتلة الكبيرة (التي تتعرض لتفاعل جاذبية كبير). الجهاز الفريد الذي تمكنت المجموعة من تحقيقه هو "مقياس تداخل ذو حلقة كاملة يعتمد على تأثير ستيرن-جيرلاخ" أو باختصار "مقياس تداخل مغناطيسي".
قبل 100 عام بالضبط، أجريت تجربة تم فيها اكتشاف "تأثير ستيرن-جيرلاخ"، والذي سمي على اسم علماء الفيزياء والتر جيرلاخ וأوتو ستيرن. يتم إطلاق شعاع من ذرات الفضة نحو الشاشة، أثناء مرورها بمجال مغناطيسي متفاوت الشدة. يقوم المجال المغناطيسي بتقسيم الذرات إلى شعاعين. التفسير الكمي لهذا الانقسام هو أن الذرة هي في الواقع مغناطيس صغير لا يمكن العثور عليه إلا في اتجاهين بالنسبة للمجال المغناطيسي وبالتالي تؤثر عليه قوتان مغناطيسيتان. يُطلق على المغناطيس الداخلي للذرة اسم الدوران.
في الخمسينيات كان المنظر البوهيمي الذي اقترح إنشاء حلقة كاملة من انقسام الأشعة وإعادة ضمها: بعد الانقسام، يقوم مجال مغناطيسي بإيقاف الأشعة وتوجيهها نحو بعضها البعض، بحيث تتحد الأشعة مرة أخرى في شعاع واحد، بعد تكوين حلقة كاملة. هذه هي الطريقة التي تم بها إنشاء مقياس التداخل المغناطيسي. بعد أن يكون الجسم في مكانين في نفس الوقت، فإنه يتحد مرة أخرى في جسم واحد ومن خلال القياسات التي يتم إجراؤها على هذا الجسم الواحد، من الممكن التعرف على الاختلافات في الظروف التي يمر بها الجسم في المدارين، حالات 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. قام العلماء من جامعة بن غوريون في النقب بذلك من خلال قدرتهم على التحكم في المجال المغناطيسي بمستوى عالٍ من الدقة باستخدام شريحة (مثل الرقائق الموجودة في الكمبيوتر). بالإضافة إلى ذلك، فإن الشعاع الذري الذي استخدموه لم يكن من ذرات الفضة، بل من ذرات الروبيديوم التي خضعت لعملية تبريد عميق إلى درجة حرارة تقارب 273 درجة تحت الصفر، بحيث كان التحكم في خواص الذرة عاليًا جدًا.
وقبل سنوات قليلة أجرى الفريق تجربة ذات غرض مماثل عندما استخدموا ساعة مكونة من ذرة واحدة تم وضعها في مكانين في نفس الوقت، أحدهما أقرب من الآخر إلى الأرض (وفقا للنظرية النسبية) يتغير الوقت كوظيفة لقوى الجاذبية). ومع ذلك، من أجل الوصول 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 بوضع 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 استخدموا فيها، من ناحية، ذرات فردية، ومن ناحية أخرى، نفذوا العملية برمتها سيكون ذلك مطلوبًا للقيام بذلك بكتلة ثقيلة.
وهذه هي المرة الأولى التي يتم فيها إجراء تجربة من هذا النوع في العالم. حتى الآن، وضعت مجموعات بحثية ذرات فردية، وحتى جزيئات، في أنواع مختلفة من مقاييس التداخل، لكن لم ينجح أحد حتى الآن في وضع الذرات في "مقياس التداخل المغناطيسي".
ويوضح أن "هذا الإنجاز له أهمية كبيرة". البروفيسور رون بولمان. "لأنه من الممكن أن إنشاء مقياس تداخل ستيرن-جيرلاخ بكتلة كبيرة سيعطينا أدلة جديدة حول الطبيعة الكمومية للجاذبية، وبالتالي قد نكون قادرين على 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.
المزيد عن الموضوع على موقع العلوم:
תגובה אחת
وينبغي توجيه هذا النقد إلى أون. بن غوريون وليس تجاهك.
عنوان الخبر يتحدث عن "جهاز سيسمح..." وبالمناسبة يغفل كلمة أساسية مما قاله الأستاذ. بولمان: "من الممكن أن...". أي شخص يتابع الأخبار العلمية، ولو عن بعد، يعلم أن الفجوة بين "ربما..." والحقائق أكبر من فجوة واليس مارينيريس.
كم هو محزن أن نرى المؤسسات الأكاديمية تتبنى أيضًا معايير رديئة في اختيار العناوين الرنانة.