מציאות מכופפת: איינשטיין פוגש את מכניקת הקוונטים בקרח האנטארקטי

מחקר בקוטב הדרומי חקר את המבנה הקוונטי המסתורי של מרחב וזמן.

תורת היחסות הכללית של איינשטיין מסבירה שכוח המשיכה נגרם מעקמומיות של כיווני המרחב והזמן. הביטוי המוכר ביותר לכך הוא כוח הכבידה של כדור הארץ, שמחזיק אותנו על הקרקע ומסביר מדוע כדורים נופלים לרצפה ולפרטים יש משקל כשהם צועדים על משקל.

בתחום הפיזיקה עתירת האנרגיה, לעומת זאת, מדענים חוקרים עצמים זעירים בלתי נראים המצייתים לחוקי מכניקת הקוונטים – המאופיינים בתנודות אקראיות היוצרות אי ודאות במיקומם ובאנרגיות של חלקיקים כמו אלקטרונים, פרוטונים וניוטרונים. נדרשת הבנת האקראיות של מכניקת הקוונטים כדי להסביר את התנהגות החומר והאור בקנה מידה תת-אטומי.

מרדף אחר כוח הכבידה הקוונטי

במשך עשרות שנים, מדענים מנסים לאחד את שני תחומי המחקר הללו כדי להשיג תיאור קוונטי של כוח הכבידה. זה ישלב את הפיזיקה של עקמומיות הקשורה לתורת היחסות הכללית עם התנודות האקראיות המסתוריות הקשורות למכניקת הקוונטים.

מחקר חדש ב פיזיקת הטבע מפיזיקאים מאוניברסיטת טקסס בארלינגטון מדווחים על בדיקה חדשה עמוקה לממשק בין שתי התיאוריות הללו, תוך שימוש בחלקיקי נייטרינו בעלי אנרגיה גבוהה במיוחד שזוהו על ידי גלאי חלקיקים שנמצא עמוק לתוך הקרחון האנטארקטי בקוטב הדרומי.

מאמצים ניסויים באנטארקטיקה

"האתגר של איחוד מכניקת הקוונטים עם תורת הגרביטציה נותר אחת הבעיות הבלתי פתורות הדוחקות ביותר בפיזיקה", אמר מחבר שותף בנג'מין ג'ונס, פרופסור חבר לפיזיקה. "אם שדה הכבידה מתנהג בצורה דומה לשדות האחרים בטבע, העקמומיות שלו אמורה להציג תנודות קוונטיות אקראיות."

תלמידי ג'ונס ו-UTA אקשימה נגי וגרנט פרקר היו חלק מצוות IceCube Collaboration בינלאומי שכלל יותר מ-300 מדענים מרחבי ארה"ב, כמו גם אוסטרליה, בלגיה, קנדה, דנמרק, גרמניה, איטליה, יפן, ניו זילנד, קוריאה , שבדיה, שוויץ, טייוואן ובריטניה.

כדי לחפש חתימות של כוח הכבידה הקוונטית, הצוות הציב אלפי חיישנים לאורך קילומטר מרובע אחד ליד הקוטב הדרומי באנטארקטיקה, אשר עקבו אחר ניטרינו, חלקיקים תת-אטומיים יוצאי דופן אך בשפע, בעלי מטען ניטרלי ואין להם מסה. הצוות הצליח לחקור יותר מ-300,000 נויטרינו. הם חיפשו לראות אם החלקיקים האולטרה-גבוהים הללו מוטרדים מתנודות קוונטיות אקראיות במרחב-זמן שניתן היה לצפות אילו הכבידה הייתה מכנית קוונטית, כשהם עוברים מרחקים ארוכים על פני כדור הארץ.

תוצאות של תצפיות ניוטרינו

"חיפשנו את התנודות הללו על ידי לימוד הטעמים של הנייטרינים שזוהו על ידי מצפה הכוכבים של IceCube", אמר נגי. "העבודה שלנו הביאה למדידה שהייתה הרבה יותר רגישה מהקודמות (למעלה מפי מיליון יותר, עבור חלק מהדגמים), אבל היא לא מצאה עדות להשפעות הכבידה הקוונטיות הצפויות."

אי-התבוננות זו בגיאומטריה קוונטית של המרחב-זמן היא הצהרה רבת עוצמה על הפיזיקה הבלתי ידועה שעדיין פועלת בממשק של פיזיקת הקוונטים ותורת היחסות הכללית.

"ניתוח זה מייצג את הפרק האחרון בתרומת UTA בת כמעט עשור למצפה IceCube", אמר ג'ונס. "הקבוצה שלי רודפת כעת אחר ניסויים חדשים שמטרתם להבין את המקור והערך של מסת הנייטרינו באמצעות טכניקות פיסיקה אטומית, מולקולרית ואופטית."

למידע נוסף על מחקר זה, ראה ניוטרינו לוחשים סודות כבידה קוונטית מהקוטב הדרומי.