رقم قياسي جديد في قياس مجال الجاذبية فائق الضعف

تم تحطيم رقم قياسي جديد في قياس مجال الجاذبية في دراسة نشرت مؤخرا في مجلة الطبيعة المرموقة. إن قياس الجاذبية على نطاق مجهري، وهو أضعف بكثير من القوى الأخرى في الطبيعة، يمثل تحديًا تكنولوجيًا وعلميًا ضخمًا. ومع ذلك، فإن تجارب الجاذبية على المستوى الذري تعتبر حاسمة لفهم الطبيعة الكمومية للجاذبية. هل سنتمكن في المستقبل من توسيع حدود التجربة إلى ميكروجرام واحد؟

تحدثت الطبيعة عن أربع قوى: القوة القوية، والقوة الضعيفة، والقوة الكهرومغناطيسية، وقوة الجاذبية. من بين كل الناس سأل بول ديارك، لماذا الجاذبية ضعيفة جدًا؟ هذا سؤال يقلق الكثير من العلماء حتى اليوم، والجواب لا يتعجل في الوصول إليه. لفهم طبيعة الجاذبية، يدرس الفيزيائيون سلوكها في المواقف القصوى، ولكن إلى جانب النجاحات التي حققتها أبحاث الفضاء، يبقى التحدي الحقيقي على المقاييس المجهرية. والسبب في ذلك بالطبع يعود إلى ضعفها وقلة تأثيرها، لكن النظر إلى المقياس الذري قد يلقي الضوء على الطبيعة الكمومية لهذه القوة.   

ليس هناك شك في أن قوانين نيوتن المنشورة في القرن السابع عشر تقوم بعمل رائع لأي حاجة حقيقية. وبفضلهم، نطلق مجسات إلى المريخ، ونضع الأقمار الصناعية في مدار مداري حول الكواكب والأقمار، ونحمي السماء من الهجمات الصاروخية، ونطير إلى أي مكان في العالم. قد نكتفي بهذه النجاحات، لكن الفيزيائيين ليسوا مهندسين، بل يسعون إلى فهم أبسط قوانين الطبيعة. في الوقت الحالي، يواجهون نظريتين غير متوافقتين على ما يبدو: النسبية العامة وميكانيكا الكم. ويتطلب الجمع بين الاثنين فهم السلوك الكمي لمجال الجاذبية، وليس لدينا حاليًا أي ملاحظات أو تجارب من شأنها أن تقودنا إلى هذا الاكتشاف.

في العقد الماضي، تم نشر عدد كبير من التجارب التي أثبتت صحة نظرية النسبية العامة لأينشتاين بدقة مذهلة. ركزت التجارب على ملاحظات الأجسام الفلكية الكبيرة, في القياسات الحساسة لموجات الجاذبية وفي الصورة الشهيرة للثقب الأسود. وفي الوقت نفسه، يركز العلماء على التجارب التي يمكن إجراؤها على الأرض والتي تكون حساسة لقوى الجاذبية الضعيفة، على سبيل المثال من خلال التحقق من مبدأ التكافؤ, قياس ثابت الجاذبية لنيوتن وقياس جاذبية الجاذبية على مسافات ميكرومترية. في جميع أنحاء العالم، قام الباحثون بفحص قوة الجاذبية على الأجسام ذات الأحجام المختلفة، بدءًا من مجموعات الجسيمات إلى الأجسام العيانية، لكن مصدر مجال الجاذبية كان دائمًا "ثقيلًا" (على الأقل بضعة كيلوغرامات). والسبب في ذلك واضح - كتلة الجسم صغيرة بالنسبة إلى نصف قطر الجسم للقوة الثالثة، لذلك لم يتم نشر أي دراسات تقريبًا تناولت قوة الجاذبية من مصدر بضعة جرامات. التحدي كبير، حيث يحتاج النظام إلى عزله عن الضوضاء الزلزالية والكهرباء والمغناطيسات التي هي أقوى بعشرات المرات من الجاذبية.

في الاسبوع الماضي نشرت في مجلة الطبيعة المرموقة، تم تحقيق اختراق في قياس مجال الجاذبية من مصدر 90 ملليجرام. وفي تجربة أجراها توبياس وزملاؤه من النمسا، وضع الباحثون كرات ضخمة على طرفي قضيب معلق بحرية. يسحب مجال الجاذبية الأرضية الكرات إلى الأسفل، ولكن يتم تثبيت القضيب في هذا الاتجاه ويُجبر على التحرك في حركة دائرية فقط. أمام أحد طرفي القضيب وُضعت كرة أخرى كانت بمثابة مصدر لمجال الجاذبية الذي يجبر القضيب على الدوران. تم وضع شاشة ذهبية بين الكتلتين لتكون بمثابة قفص فاراداي حتى لا تؤثر القوى الكهرومغناطيسية على التجربة. أثناء السحب، قام الباحثون بقياس درجة الدوران باستخدام الليزر الذي يضرب المرآة الموضوعة في وسط القضيب. النظام التجريبي ليس جديدا على العلم، فقد بناه لأول مرة هنري كافنديش لقياس كثافة الأرض (تجربة تعادل قياس ثابت الجاذبية لنيوتن)، ولكن هذه هي المرة الأولى التي يتم اختباره في مثل هذا المجال الجاذبية الضعيف .

ومن حساب مباشر باستخدام قوانين نيوتن، فإن القوة المؤثرة بين الكتلتين تساوي القوة المؤثرة من الأرض على كتلة تزن بيكوغرامًا (جزء من ألف مليار من الجرام، أي ثلث متوسط ​​كتلة خلية دم الإنسان). . لن تتفاجأ أنه حتى في هذه الظروف القاسية أظهر الباحثون أن قوانين نيوتن لا تزال صالحة. ويعتقد توبياس أن مصدر الجاذبية يمكن أن يمتد إلى بضعة ميكروغرامات، وإذا تم بالفعل إبعاد ضوضاء الخلفية وتم الحصول على إشارة نقية للجاذبية، فستفتح نافذة نحو الجاذبية الكمومية.

المزيد عن الموضوع على موقع العلوم:

• هل هي موجات الجاذبية؟
• إمكانية الحياة في الأكوان المتعددة
• تم إجراء قياس كمي فريد في جامعة بن غوريون