آیا گرانش کوانتومی وجود دارد؟ یک آزمایش جدید معما را عمیق‌تر کرد
در حالی که فیزیک‌دانان به دنبال نظریه‌ای برای گرانش کوانتومی هستند، نتایج جدید نشان می‌دهد که گرانش کلاسیک می‌تواند همچنان با میادین کوانتومی تعامل داشته باشد و به ماده این امکان را بدهد که به درهم‌تنیدگی برسد.
یک کشف جدید نشان می‌دهد که میادین گرانشی می‌توانند به ماده امکان ایجاد درهم‌تنیدگی کوانتومی را بدهند — حتی اگر مفهوم گرانش کوانتومی وجود نداشته باشد. این ایده از دو فیزیک‌دان مستقر در لندن بر می‌آید که در حال به چالش کشیدن برداشت ما از میادین کوانتومی و نحوهٔ عملکرد گرانش کلاسیک هستند.
جستجو برای گرانش کوانتومی گامی بزرگ بعدی در فیزیک است، چرا که پژوهشگران سعی دارند فیزیک بسیار کوچک‌ها را با فیزیک بسیار بزرگ‌ها یکپارچه کنند. مکانیک کوانتومی به توصیف دنیای میکروسکوپی می‌پردازد، در حالی که نظریهٔ نسبیت عام — که به‌خوبی نحوهٔ کار گرانش را شرح می‌دهد — به توصیف جهان ماکروسکوپی می‌پردازد. هر دو فیزیک کوانتومی و نظریهٔ نسبیت عام در ربع نخست قرن بیستم شکل گرفتند، اما پس از صد سال، دانشمندان هنوز فهم درستی از چگونگی یکپارچه‌سازی این دو ندارند. در وضعیت فعلی، این نظریه‌ها با یکدیگر در تضاد هستند.
در واقع، نتایج جدید از جوزف عزیز و ریچارد هول از دانشگاه رویال هالوی، لندن، می‌توانند به‌وضوح وضعیت را پیچیده‌تر کنند. کار آن‌ها بر پایهٔ یک آزمایش فکری است که برای نخستین بار توسط فیزیک‌دان مشهور ریچارد فینمان در سال ۱۹۵۷ مطرح شد و شامل قرار دادن یک شیء — به عنوان مثال یک سیب — در حالت ابرپوشانی کوانتومی می‌شود.
برای درک ابرپوشانی، به ویژگی‌هایی که وضعیت کوانتومی یک ذره را تشکیل می‌دهند، مانند مکان، مومنتم، بار یا اسپین کوانتومی آن، فکر کنید. مقدار هر یک از این ویژگی‌ها ذاتاً به‌صورت احتمالی است و این توزیع احتمالات توسط یک موج توصیف می‌شود که قلهٔ موج بیشترین احتمال را نشان می‌دهد. ابرپوشانی زمانی نشان داده می‌شود که توابع موج برای نتایج مختلف بر روی یکدیگر همپوشانی داشته باشند.
آزمایش فکری فینمان موقعیت آن سیب فرضی را به ابرپوشانی می‌داد — به عبارت دیگر، تا زمان مشاهده، همزمان در دو مکان وجود داشت. پس از مشاهده، تابع موج آن فروکش می‌کرد. سپس یک سیب دوم در آزمایش فینمان معرفی می‌شد، و اگر سیب اول که در ابرپوشانی کوانتومی بود، به‌صورت گرانشی با شیء دوم تعامل داشته باشد، حتی پس از فروکش شدن حالت ابرپوشانی سیب اول، فینمان بر این عقیده بود که این نشانهٔ گرانش کوانتومی در حال کار است.
«وقتی فینمان این ایده را مطرح کرد که به‌صورت نظری می‌توانید یک جرم را در دو مکان به‌صورت ابرپوشانی قرار دهید و سپس ببینید آیا میدان گرانشی آن نیز در ابرپوشانی کوانتومی است یا نه، او بر این باور بود که این نشان می‌دهد گرانش کوانتومی است»، هول به Space.com گفت.
توضیح‌های مدرن این آزمایش فکری، تعامل بین دو جسم را به‌دست آمدن درهم‌تنیدهٔ کوانتومی توصیف می‌کنند. این بدین معنی است که ویژگی‌های کوانتومی اجسام به‌طرز ناگسستنی به‌هم پیوسته‌اند به‌طوری که هر تغییری در یکی، بلافاصله تغییری در دیگری ایجاد می‌کند — بدون توجه به فاصلهٔ آن‌ها. آلبرت اینشتین به درهم‌تنیدگی کوانتومی «عملِ عجیب در فواصل دور» می‌نامید.
با این حال، عزیز و هول نشان داده‌اند که درهم‌تنیدگی می‌تواند حتی بدون گرانش کوانتومی رخ دهد.
یک تضاد بزرگ
اینشتین گرانش را به‌عنوان انحنای فضا‑زمان (یکپارچه‌سازی چهار‑بعدی فضا و زمان) توصیف کرد. اما هنگامی که به فیزیک کوانتومی می‌رسیم، مشکلی به‌وجود می‌آید.
در فیزیک کوانتومی، نیروهای بنیادی به بسته‌های گسسته‌ای از انرژی به نام کوانتا تقسیم می‌شوند. به‌عنوان مثال، یک کوانتا از نیروی الکترومغناطیسی، فوتون است. در توصیف کوانتومی گرانش، نیروی گرانشی نیز باید کوانتاهای خاص خود را داشته باشد که به آن‌ها «گراویتون» می‌گویند. با این حال، هیچ‌کس تا به‌حال گراویتون را ندیده است، زیرا احتمال تعامل یک گراویتون منفرد با آشکارساز به‌طور فوق‌العاده‌ای کم است.
این تأثیرات به‌صورت همبستگی بین ذرات یا اشیا ظاهر می‌شوند. برای مثال، تصور کنید ذره‌ای با اسپین کوانتومی ۱/۲ (به عنوان «بالا») و ذرهٔ دیگری با اسپین کوانتومی –۱/۲ (به عنوان «پایین») داشته باشید؛ این دو ذره در حالت درهم‌تنیدگی کوانتومی با یکدیگر قرار دارند. یک همبستگی قوی به این معناست که اگر بدانید اسپین یکی از ذرات بالا است، به‌طور خودکار می‌دانید اسپین ذرهٔ دیگر پایین است بدون اینکه نیاز به اندازه‌گیری داشته باشید.
از سوی دیگر، در مورد گرانش کلاسیک این همبستگی بسیار ضعیف‌تر می‌شود. این مسأله‌ای از احتمال است — اگر در آزمایش‌های مکرر اسپین ذرهٔ دیگر را اندازه‌گیری کنید، به‌ندرت همانند حالت «پایین» ظاهر خواهد شد، بر خلاف زمانی که گرانش کوانتومی در درهم‌تنیدگی فعال باشد.
در حال حاضر، کارهای عزیز و هول، همراه با آزمایش فکری اصلی فینمان، آثار ریاضیاتی هستند. آیا می‌توان این آزمایش را در زندگی واقعی انجام داد؟
“هنوز سؤال باز است که آیا می‌توانید این کار را انجام دهید”، هول گفت. “نمی‌توان گفت که در نظریه نمی‌توانید این کار را انجام دهید، و افراد در بریتانیا، اتریش و مکان‌های دیگر روی این موضوع کار می‌کنند، اما باید تمام عواملی که باعث فروپاشی ابرپوشانی می‌شوند را حذف کنید و این یک چالش فوق‌العاده دشوار است.”
حتی اگر گرانش کوانتومی باشد — و همه به‌طور ضروری این‌گونه فکر نکنند؛ برای مثال در سال ۲۰۲۳، جاناتان اوپنهایم از دانشگاه کالج لندن مدلی منتشر کرد که نسبیت عام کلاسیک را با نظریهٔ میدانی کوانتومی ترکیب می‌کرد — یافته‌های عزیز و هول می‌توانند به ما چیزی جدید دربارهٔ رفتار گرانش کلاسیک بگویند.
هول همچنین پیش‌بینی می‌کند که ایده‌های تیم با واکنش مخالف مواجه خواهد شد. «نمی‌دانم آیا همه با ما موافق خواهند شد!» او گفت. اما او خوش‌بین است که در دهه‌های آینده، آزمایش فینمان سرانجام انجام شود و آزمونی واقعی برای بررسی این که آیا گرانش کوانتومی واقعی است یا نه، فراهم کند.
کارهای عزیز و هول در ۲۲ اکتبر در نشریه Nature منتشر شد.