نور لیزری و طبیعت کوانتومی گرانش: آزمایش پیشنهادی میتواند تبادل انرژی گریوتن را اندازهگیری کند
توسط انجمن هلمهولتز مراکز پژوهشی آلمان
ویرایش شده توسط گابی کلارک، بازبینی شده توسط رابرت ایگان
زمانی که دو سیاهچاله ترکیب میشوند یا دو ستارهٔ نیوترونی بههم میخورند، امواج گرانشی تولید میگردند. این امواج با سرعت نور انتشار مییابند و به فضا‑زمان اعوجاجهای ریز ایجاد میکنند. آلبرت اینشتین وجود آنها را پیشبینی کرد و اولین مشاهدهٔ آزمایشی مستقیم در سال ۲۰۱۵ ثبت شد.
اکنون، پروفسور رالف شوتزهولد، فیزیکدان نظری در مرکز هلمهولتز‑زنترم درزن‑روسندورف (HZDR)، یک گام جلوتر میرود. او آزمایشی را تصور کرده است که از طریق آن میتوان نه تنها امواج گرانشی را مشاهده کرد، بلکه بر آنها تأثیر گذاشت. این ایده در مجله فیزیک ریویو لترز منتشر شده و میتواند بینشهای نوینی دربارهٔ طبیعت کوانتومی گرانش، که تا پیش از این تنها فرضیهای بوده، ارائه دهد.
«گرانش همه چیز را تحت تأثیر قرار میدهد، از جمله نور»، شوتزهولد میگوید. و این تعامل زمانی رخ میدهد که امواج گرانشی و امواج نوری بههم میرسند.
ایده شوتزهولد این است که بستههای ریز انرژی را از یک موج نور به یک موج گرانشی منتقل کند. با این کار، انرژی موج نور اندکی کاهش مییابد و انرژی موج گرانشی به همان مقدار افزایش مییابد. این انرژی معادل یک یا چند گریوتن است، ذرات مبادلهای گرانش که در مدلهای نظری پیشبینی شدهاند اما هنوز بهطور قطعی ثابت نشدهاند.
«این کار موج گرانشی را کمی پرشدتتر میسازد»، فیزیکدان توضیح میدهد. از سوی دیگر، موج نور دقیقاً همان مقدار انرژی را از دست میدهد که منجر به تغییر ناچیزی در فرکانس آن میشود.
«این فرایند میتواند بهصورت معکوس نیز عمل کند»، شوتزهولد ادامه میدهد. در این حالت، موج گرانشی یک بسته انرژی به موج نور میسپارد. انتظار میرود که هر دو اثر، یعنی انتشار و جذب تحریکشدهٔ گریوتنها، قابل اندازهگیری باشند، هرچند نیازمند تلاشهای آزمایشگاهی قابل توجهی است.
شوتزهولد ابعاد عظیم این آزمایش را محاسبه کرده است: بهطور بالقوه، پالسهای لیزری در محدوده نور مرئی یا نزدیک به مادونقرمز میتوانند تا یک میلیون بار بین دو آینه بازتاب شوند. در تنظیمی با طول تقریباً یک کیلومتر، این باعث میشود مسیر نوری حدود یک میلیون کیلومتر ایجاد شود. چنین مقیاسی برای انجام اندازهگیری موردنظر از تبادل انرژی ناشی از جذب و انتشار گریوتنها هنگام برخورد نور با موج گرانشی کافی است.
با این حال، تغییر فرکانس موج نور که ناشی از جذب یا انتشار یک یا چند گریوتن در تعامل با موج گرانشی است، بهطور چشمگیری کوچک است. با این وجود، با استفاده از یک دستگاه اینترفرنسی هوشمندانه طراحیشده میتوان این تغییرات جزئی فرکانس را نشان داد.
در این فرآیند، دو موج نور تغییرات فرکانسی متفاوتی را تجربه میکنند — بسته به اینکه گریوتنها را جذب یا انتشار دهند. پس از این تعامل و عبور از مسیر نوری، دوباره همپوشانی میکنند و یک الگوی تداخل تولید مینمایند. از این الگو میتوان تغییر فرکانس رخ داده را استخراج کرد و به این ترتیب انتقال گریوتنها را استنتاج نمود.
آزمایش میتواند به درک ویژگیهای کوانتومی میدان گرانشی کمک کند
«از ایده اولیه تا اجرای آزمایش میتواند چند دهه طول بکشد»، شوتزهولد میگوید. اما شاید در این مورد زودتر رخ دهد، زیرا رصدخانه LIGO — مخفف رصدخانه اینترفرنسی لیزری امواج گرانشی — که بهمنظور تشخیص امواج گرانشی اختصاص یافته است، شباهتهای شدیدی دارد.
LIGO از دو لولهٔ خلا به شکل L تشکیل شده است که هر کدام تقریباً چهار کیلومتر طول دارند. یک تقسیمکنندهٔ پرتو، پرتو لیزر را به دو بازوی آشکارساز میفرستد. در حین عبور، امواج گرانشی وارده بهصورت کمینه فضا‑زمان را اعوجاج میدهند که باعث تغییر چند آتمومتر (10-18 متر) در طول اولیهٔ برابر دو بازو میشود. این تغییر ریز در طول، الگوی تداخل نور لیزری را تغییر میدهد و سیگنالی قابل شناسایی تولید میکند.
در یک دستگاه اینترفرنسی که به ایدهٔ شوتزهولد اختصاص یافته است، امکان مشاهدهٔ امواج گرانشی بههمین راحتی وجود دارد، و حتی برای اولین بار میتوان آنها را با انتشار و جذب تحریکشدهٔ گریوتنها دستکاری کرد. شوتزهولد میگوید که پالسهای نوری که فوتونهایشان درهمتنیده (یعنی بهصورت کوانتومی متصل) هستند، میتوانند حساسیت دستگاه اینترفرنسی را بهطور چشمگیری افزایش دهند.
«آنگاه میتوانیم حتی دربارهٔ وضعیت کوانتومی خود میدان گرانشی استنتاج کنیم»، شوتزهولد میگوید. اگرچه این امر شواهد مستقیمی برای وجود گریوتن فرضی، که موضوع مباحثات فراوانی بین فیزیکدانان است، فراهم نمیکند، اما حداقل نشانهٔ قویای از وجود آن خواهد بود.
در نهایت، اگر امواج نور هنگام تعامل با امواج گرانشی اثرات تداخل پیشبینیشده را نشان ندهند، نظریهٔ فعلی مبتنی بر گریوتنها رد خواهد شد. بنابراین شگفتانگیز نیست که مفهوم شوتزهولد برای دستکاری امواج گرانشی با علاقهٔ زیادی در میان همکارانش مواجه شده است.
اطلاعات بیشتر: رالف شوتزهولد، انتشار یا جذب تحریکشدهٔ گریوتنها توسط نور، فیزیک ریویو لترز (2025). DOI: 10.1103/xd97-c6d7
اطلاعات مجله: فیزیک ریویو لترز
ارائهشده توسط انجمن هلمهولتز مراکز پژوهشی آلمان