درک انحنای فضا-زمان و گرانش کوانتومی با شبیه‌ساز کوانتومی

یک مطالعه جدید که توسط دانشمندانی در وین اتریش انجام شده است از امواج صوتی در ابرهای اتمی برای درک رفتار ذرات کوانتومی در فضا-زمان استفاده می‌کند.

کد خبر: ۶۱۵۶۶۰

تاریخ: ۳۱ ارديبهشت ۱۴۰۲ - ۱۰:۲۱

به گزارش ایران اکونومیست و به نقل از فیز، مکانیک کوانتومی و نظریه نسبیت از ارکان فیزیک مدرن هستند. مکانیک کوانتومی همه پدیده‌ها و رفتار ذرات را در کوچکترین مقیاس توضیح می‌دهد، در حالی که نسبیت در انتهای دیگر طیف قرار دارد و ساختارهای کیهانی را در بزرگترین مقیاس توضیح می‌دهد.

با این حال، ترکیب این دو نظریه برای رسیدن به یک نظریه کوانتومی واحد از گرانش، دهه‌هاست که فیزیکدانان را مشغول کرده است.

اکنون گروهی از دانشمندان دانشگاه TU Wien در شهر وین اتریش از یک شبیه‌ساز کوانتومی برای مطالعه اثرات انحنای فضا-زمان استفاده کرده‌اند.

این شبیه‌ساز به دانشمندان اجازه می‌دهد تا یک سامانه مدل شبیه ذرات کوانتومی در فضا-زمان منحنی ایجاد کنند و جنبه‌های هر دو نظریه را با هم ترکیب کنند.

نحوه کمک یک سامانه مدل به درک ذرات کوانتومی در فضا-زمان

دانشمندان برای این مطالعه، سرعت صوت را در ابرهای اتمی فوق سرد که توسط میدان‌های الکترومغناطیسی کنترل می‌شوند، بررسی کردند.

ممکن است تعجب کنید که چگونه مطالعه سرعت صوت به ما در درک ذرات کوانتومی در فضا-زمان کمک می‌کند. پاسخ در این واقعیت نهفته است که بسیاری از سامانه‌های فیزیکی، مشابه هستند. این به این دلیل است که همه سامانه‌ها از قوانین و معادلات علمی یکسانی پیروی می‌کنند.

نور در خلاء با سرعت ثابتی در مسیری به نام «مخروط نوری» حرکت می‌کند. با این حال، هنگامی که نور از نزدیک اجرام سنگین مانند سیارات و ستارگان عبور می‌کند، مسیر آن یا مخروط نوری خم می‌شود. نور خم شده باعث می‌شود که اجرام پس زمینه بزرگ شوند و به صورت حلقه‌ای در اطراف جرم مورد مشاهده ظاهر شوند که این موضوع به عنوان «همگرایی گرانشی» شناخته می‌شود.

در نظریه نسبیت خاص، مخروط نوری به توصیف ظاهری انتشار نور در نمودار فضا-زمان اطلاق می‌شود. این مخروط در صورتی به شکل سه بعدی ترسیم می‌شود که ما شکل انتشار موج را بر روی محور افقی(طول‌ها و عرض‌ها) دو بعدی در نظر بگیریم و محور عمودی را متشکل از زمان بدانیم.

بر اساس قانون ماکسول، سرعت نور همواره ثابت و مستقل از سرعت منبع نور است که این مسئله با اندازه‌گیری‌های دقیق اثبات شده است. پس اگر موجی از نور در لحظه و مکان به خصوصی منتشر شود، همچنان که زمان می‌گذرد مانند کره‌ای نورانی با سرعت نور گسترش پیدا می‌کند که اندازه و وضعیت آن مستقل از سرعت جسم است. بعد از گذشت یک میلیونیم ثانیه، گسترش شعاع نور، کره‌ای به شعاع ۳۰۰ متر ایجاد خواهد کرد و به همین ترتیب بعد از گذشت دو میلیونیم ثانیه، شعاع این کره به دو برابر مقدار قبل خواهد رسید و به همین ترتیب این مقدار افزایش پیدا می‌کند.

به طور مثال، این واقعه شبیه گسترش امواجی است که بر اثر برخورد سنگی با سطح آب به وجود می‌آید. این امواج به شکل دایره‌هایی ظاهر می‌شوند که با گذشتن زمان بر شعاع آنها افزوده می‌شود. اگر مجموعه‌ای از تصاویر امواج در حال گسترش را به ترتیب زمانی روی هم قرار دهیم، مخروطی سه بعدی تشکیل می‌شود که محور افقی آن را مختصات طولی و عرضی دایره‌ها تشکیل می‌دهند و محور عمودی آن متشکل از زمان است. در نتیجه رأس این مخروط، لحظه برخورد سنگ با سطح آب است.

به همین نحو، گسترش شعاع‌های نور بر اثر یک رویداد، مخروطی سه بعدی در دستگاه چهار بعدی فضا-زمان رسم می‌کند که به آن مخروط نوری آینده رویداد می‌گویند. به همین ترتیب، قادر به رسم مخروط دیگری خواهیم بود که مجموعه رویدادهایی است که توسط آنها نور می‌تواند به یک رویداد معین برسد و این مخروط، مخروط نوری گذشته رویداد نام دارد.

همگرایی گرانشی نیز هنگامی روی می‌دهد که نورِ یک چشمه درخشان بسیار دور(مانند یک اختروش) در مسیرش تا رصدگر، از کنار جسم پرجرم دیگری(مانند یک خوشه کهکشانی) بگذرد و مسیرش خمیده شود. جسم میانی، همگرایی یا عدسی گرانشی نامیده می‌شود. این پدیده یکی از پیش‌بینی‌های نظریه نسبیت عام اینشتین است.

براساس نسبیت عام، جرم می‌تواند فضا-زمان را خمیده کند و در نتیجه یک میدان گرانشی بسازد که می‌تواند نور را منحرف کند. این پدیده را نخستین بار آرتور ادینگتون در سال ۱۹۱۹ در جریان یک خورشیدگرفتگی آزمود که در آن نور ستاره‌ای که از نزدیک خورشید می‌گذشت، کمی خم شد و در نتیجه مکان ظاهری ستاره کمی جابه‌جا شد.

با همگرایی گرانشی می‌توان اطلاعاتی درباره جسم میانی(عدسی) از جمله جرم آن به دست آورد.

بنابراین، دانشمندان در این مطالعه جدید، خواص ابرهای اتمی را طوری تنظیم کردند که خواص آنها مشابه ذرات کوانتومی باشد.

دانشمندان با مشاهده سرعت صوت در ابرهای اتمی، مشابه با سرعت نور در فضا-زمان می‌توانند پدیده‌هایی مانند مخروط‌های خمیده نور، اثرات همگرایی گرانشی و بازتاب‌ها را در شبیه‌ساز کوانتومی مشاهده کنند.

این برای نظریه کوانتومی گرانش چه معنایی دارد؟

یافته‌های حاصل از مطالعه شبیه‌ساز کوانتومی، دیدگاه تازه‌ای را در مورد نظریه کوانتومی گرانش ارائه می‌کند و چگونگی رفتار ذرات کوانتومی در فضا-زمان منحنی را روشن می‌کند و این توانایی را به ما می‌دهد تا تعامل بین نسبیت و مکانیک کوانتومی را در یک محیط قابل دسترسی‌تر و کنترل شده‌تر بررسی کنیم.

در حالی که شبیه‌ساز کوانتومی به طور مستقیم، پیچیدگی کامل گرانش کوانتومی را شبیه‌سازی نمی‌کند، اما به عنوان یک ابزار ارزشمند برای مطالعه جنبه‌های خاص و به دست آوردن درک عمیق‌تر از اصول اساسی درگیر در این فرآیند عمل می‌کند.

این مطالعه راه‌های جدیدی را به روی فیزیکدانان باز می‌کند تا نظریه‌های میدان کوانتومی در فضا-زمان را کشف کنند و ما را به درک نیروهای بنیادی موجود در جهان نزدیک‌تر می‌کند.

این مطالعه در مجله Proceedings of the National Academy of Sciences منتشر شده است.