فقط در ترافیک کوانتومی، حرکت و توقف به طور همزمان با هم وجود دارد! در مقاله‌ی جدیدی که پنج روز پیش در ژورنال Physical Review Letters منتشر شد، دانشمندان NIST و دانشگاه مریلند، یک ترافیک کوانتومی را در حلقه ای متشکل از چند هزار اتم مافوق سرد ایجاد کردند که به کمک آن می توان گرانش را حتی در فواصل کوتاهی در حد ۱۰ میکرومتر (یعنی یک دهم یک تار موی انسان) به طور دقیقی اندازه گیری کرد. با دیپ لوک همراه باشید…
اندازه گیری گرانش د ر مقیاس های کوچک و به کمک ترافیک کوانتومی موجود در این حلقه اتمی، می تواند سرنخ های مهمی را در مورد سوالات بنیادین کوانتومی به ما نشان دهد: مثلا اینکه چرا جهان با شتاب در حال انبساط است؟ این حلقه اتمی علاوه بر پاسخ به سوالات بنیادین، می تواند کاربردهای عملی هم داشته باشد. مثلا به کمک این حلقه می توانیم حسگرهای حرکتی بسیار دقیق تر از نمونه های قبلی بسازیم یا از آنها به عنوان سوییچ کامپیوترهای کوانتومی استفاده کنیم که “صفر” نشان دهنده توقف و “یک” نشان دهنده ترافیک کوانتومی است.
فیزیکدانان در طول دو دهه گذشته، حالت عجیبی از ماده به نام چگالش بوز-اینشتین (BEC) را کشف کرده اند: اتم ها در دمای نزدیک صفر مطلق، پایین ترین تراز کوانتومی را اشغال کرده و با یکدیگر همپوشانی می کنند. در این شرایط، ابر کوچکی از اتم ها تبدیل به اَبَراتم های کوانتومی بزرگی می شوند که به دانشمندان اجازه می دهد ویژگی هایی مانند ابررسانایی یا ابرسیالی را بسیار ساده تر مطالعه کنند.
حالا و در این مقاله، فیزیکدانان نظری، استفن راگل و جک تیلور، نشان داده اند که با تغییر ایده BEC می توان اثرات گرانش را حتی در فواصل کوتاه، اندازه گیری کرد. همانطور که میدانید در چنین فواصل کوتاهی، نیروی الکترومغناطیس بر اثرات گرانشی غلبه می کند. پیشنهاد آنها از این قرار است: ابتدا به کمک پرتوهای لیزر، حلقه ای با قطر ۱۰ تا ۲۰ میکرومتری و به کمک چند هزار اتم ایجاد کنیم. سپس باز هم به کمک لیزرها، اتم های درون این حلقه را به آرامی به حرکت دربیاوریم، به طوری که اتم ها شروع به چرخیدن کنند. در این حالت، اتم های حلقه، درست مانند ماشین هایی که پشت سر هم در یک بزرگراه یک طرفه دور می زنند، می چرخند و درست همانطور که ماشین ها به واسطه تماس لاستیکشان با زمین، از آن تاثیر می گیرند، ویژگی های اتم های حلقه نیز تحت تاثیر محیط اطرافشان، قرار می گیرد. اثرات گرانشی اجرامی که در فاصله چند میکرومتری هم قرار دارند، از این دست اثرات است.
چگونه می توان اثرات گرانشی را به کمک این حلقه، اندازه گیری کرد؟ برهم نهی کوانتومی! لیزرها می توانند اتم های حلقه را در یک برهم نهی، قرار دهند؛ به این معنی که اتم های حلقه، هم می چرخند و هم به طور همزمان، متوقف هستند! این برهم نهی حرکت و توقف، تا چند میلی ثانیه پس از حذف لیزر همچنان وجود دارد که زمان کافی و مناسبی برای اندازه گیری اثرات گرانشی است. این ترافیک کوانتومی نه تنها بر چالش دشوار اندازه گیری گرانش، غلبه می کند، بلکه به فیزیکدانان کمک می کند برخی نظریات موجود در مورد کائنات را دور بیندازند.
یکی از معماهای بزرگ فیزیک، انبساط پرشتاب کیهان است. فیزیکدانان برای حل این معما، یک نیروی ظاهری به نام انرژی تاریک را پیشنهاد داده اند، اما هنوز ریشه آن را درک نکرده اند! یکی از نظریات پیشنهادی می گوید در فضای خلا، ذرات مجازی با طول عمر کم، به طور مداوم در حال خلق و فنا هستند و دافعه دو طرفه آنها، انرژی تاریک را ایجاد می کند. اما محاسبه نیروی دافعه ای بین این ذرات، نشان می دهد که کائنات باید فورا بترکد، اما واقعیت این نیست و ما همچنان با خیال راحت، در حال زندگی هستیم! بنابراین دانشمندان باید مشاهدات خود را با ایده ذرات مجازی، سازگار کنند. یک احتمال، این است که فضا-زمان، فقط به ذرات مجازی که تنها چند میکرومتر از یکدیگر فاصله دارند، واکنش نشان می دهد و این درست همان چیزی است که در حلقه اتم های سرد مشاهده می کنیم؛ در واقع این نیرو وجود دارد، اما در مقیاس کیهانی، عمل نمی کند.
