نور لیزر و ماهیت کوانتومی گرانش: آزمایشی پیشنهادی میتواند تبادل انرژی گراویتون را اندازهگیری کند
توسط انجمن هلمهولتز مراکز تحقیقاتی آلمان
ویرایش شده توسط گابی کلارک، بازبینی شده توسط رابرت ایگان
یادداشتهای سردبیر
این مقاله بر اساس فرایند و سیاستهای تحریریه Science X مرور شده است. سردبیریها ویژگیهای زیر را برجسته کردهاند تا اعتبار محتوای مقاله حفظ شود:
تأیید صحت
انتشار با مرور همتا
منبع معتبر
بازبینی شده
هنگامی که دو سیاهچاله ادغام میشوند یا دو ستاره نادر برخورد میکنند، امواج گرانشی تولید میشوند. این امواج با سرعت نور انتشار مییابند و باعث ایجاد تحریفهای جزئی در فضا‑زمان میشوند. آلبرت اینشتین وجود آنها را پیشبینی کرد و اولین مشاهدهٔ آزمایشگاهی مستقیم در سال ۲۰۱۵ ثبت شد.
اکنون، پروفسور رالف شوتزهولد، فیزیکدان نظری در مرکز هلمهولتز در درزن‑روسندورف (HZDR)، یک گام فراتر میرود. او آزمایشی را تصور کرده است که در آن میتوان نه تنها امواج گرانشی را مشاهده، بلکه آنها را نیز تحت کنترل آورد. این ایده که در مجلهٔ Physical Review Letters منتشر شد، میتواند بینشهای جدیدی دربارهٔ ماهیت کوانتومی گرانش—که تا کنون صرفاً فرضی بوده است—ارائه دهد.
«گرانش همه چیز را تحت تأثیر میگذارد، حتی نور»، میگوید شوتزهولد. و این تعامل هنگام برخورد موجهای گرانشی و موجهای نوری نیز رخ میدهد.
ایدهٔ شوتزهولد این است که بستههای کوچک انرژی را از یک موج نوری به یک موج گرانشی منتقل کند. بدین ترتیب، انرژی موج نوری کمی کاهش مییابد و انرژی موج گرانشی به همان مقدار افزایش مییابد. این انرژی برابر با انرژی یک یا چند گراویتون است، ذرات تبادل گرانش که در مدلهای نظری پیشبینی شدهاند، اما هنوز ثابت نشدهاند.
«این امر موج گرانشی را اندکتری قویتر میکند»، فیزیکدان توضیح میدهد. از سوی دیگر، موج نوری دقیقاً همان مقدار انرژی را از دست میدهد که منجر به تغییر جزئی در فرکانس موج نوری میشود.
«این فرآیند میتواند در جهت معکوس نیز عمل کند»، شوتزهولد ادامه میدهد. در این حالت، موج گرانشی بستهای از انرژی را به موج نوری میدهد. باید امکان اندازهگیری هر دو اثر، یعنی انتشار و جذب گراویتون به صورت تحریکشده، وجود داشته باشد، هرچند نیاز به تلاش آزمایشی قابلتوجهی دارد.
شوتزهولد ابعاد عظیم چنین آزمایشی را محاسبه کرده است: بهطور بالقوه، پالسهای لیزری در بازهٔ طیفی مرئی یا نزدیک به مادونقرمز میتوانند بین دو آینه تا یک میلیون بار بازتاب شوند. در یک تنظیم به طول تقریباً یک کیلومتر، این امر مسیر نوری حدود یک میلیون کیلومتر را ایجاد میکند. چنین مرتبهسنجی کافی است تا اندازهگیری موردنظر از تبادل انرژی ناشی از جذب و انتشار گراویتونها زمانی که نور و موج گرانشی به هم میرسند، انجام شود.
با این حال، تغییر فرکانس موج نوری که ناشی از جذب یا آزادسازی انرژی یک یا چند گراویتون در تعامل با موج گرانشی است، بهطور قابلتوجهی کوچک است. با این وجود، با استفاده از یک تداخلساز بهدقت طراحیشده میتوان این تغییرات فرکانسی را نشان داد.
در این فرآیند، دو موج نوری تغییرات متفاوتی در فرکانس تجربه میکنند—بسته به اینکه گراویتون جذب یا ساطع کنند. پس از این تعامل و عبور از مسیر نوری، دوباره همپوشانی مییابند و الگوی تداخلی ایجاد میشود. از این الگو میتوان تغییر فرکانس رخداده و در نتیجه انتقال گراویتونها را استنتاج کرد.
آزمایش میتواند بینشهایی دربارهٔ ویژگیهای کوانتومی میدان گرانشی ارائه دهد
«ممکن است چند دهه طول بکشد تا یک ایده به آزمایش تبدیل شود»، شوتزهولد میگوید. اما شاید در این مورد زودتر ممکن شود، زیرا رصدخانهٔ LIGO—که مخفف Laser Interferometer Gravitational‑Wave Observatory است و بهمنظور شناسایی امواج گرانشی اختصاص یافته است—شباهتهای زیادی دارد.
LIGO از دو لولهٔ خلا به شکل «L» با طول تقریباً چهار کیلومتر تشکیل شده است. یک تقسیمکنندهٔ پرتو، پرتو لیزر را به دو بازوی دستگاه تقسیم میکند. هنگام عبور، امواج گرانشی وارد، فضا‑زمان را بهصورت جزئی تحریف میکنند که باعث تغییرات چند آتمتر (10-18 متر) در طول برابر اولیهٔ دو بازو میشود. این تغییر جزئی طول، الگوی تداخل نور لیزر را تغییر میدهد و سیگنال قابلتشخیص تولید میکند.
در یک تداخلساز مطابق با ایدهٔ شوتزهولد، ممکن است نه تنها امواج گرانشی را مشاهده کنیم، بلکه برای اولین بار آنها را با انتشار و جذب تحریکشدهٔ گراویتونها تحت کنترل بگیریم. بهگفتهٔ شوتزهولد، پالسهای نوری که فوتونهایشان درهمتنیدهاند، یعنی بهصورت کوانتومی بههمپیوستهاند، میتوانند حساسیت تداخلساز را بهطور قابلتوجهی افزایش دهند.
«آنگاه میتوانیم حتی دربارهٔ وضعیت کوانتومی خود میدان گرانشی استنتاج کنیم»، شوتزهولد میگوید. هرچند این اثبات مستقیم گراویتون فرضی—موضوع بحث شدیدی میان فیزیکدانان—نخواهد بود، اما حداقل نشانهٔ قویای از وجود آن خواهد بود.
در نهایت، اگر موجهای نوری هنگام تعامل با امواج گرانشی اثرات تداخل پیشبینیشده را نشان ندهند، نظریهٔ حاضر مبتنی بر گراویتونها نادرست خواهد شد. بنابراین تعجبی نیست که مفهوم شوتزهولد برای کنترل امواج گرانشی مورد توجه فراوان همکارانش قرار گرفته است.
اطلاعات بیشتر: رالف شوتزهولد، انتشار یا جذب تحریکشدهٔ گراویتونها توسط نور، Physical Review Letters (2025). DOI: 10.1103/xd97-c6d7
اطلاعات مجله: Physical Review Letters
ارائهشده توسط انجمن هلمهولتز مراکز تحقیقاتی آلمان
منبع استنادی: نور لیزر و ماهیت کوانتومی گرانش: آزمایشی پیشنهادی میتواند تبادل انرژی گراویتون را اندازهگیری کند (2025، 16 دسامبر) بازیابی شده در 26 دسامبر 2025 از https://phys.org/news/2025-12-laser-quantum-nature-gravity-graviton.html
این سند تحت حقوق کپیرایت است. بهجز موارد استفادهٔ منصفانه برای مطالعه یا پژوهش شخصی، هیچ بخشی نمیتواند بدون اجازهٔ کتبی بازتولید شود. محتوا صرفاً برای مقاصد اطلاعاتی ارائه شده است.