מחקר חדש מציע שיטה ניסיונית לבדיקת ההיבטים הקוונטיים של כוח הכבידה ללא צורך לסבך עצמים מסיביים, מה שעלול לקדם את השדה באופן משמעותי. קרדיט: twoday.co.il.com
ניסוי שהוצע מראה שהסתבכות קוונטית היא לא הדרך היחידה לבדוק אם לכבידה יש אופי קוונטי.
כוח הכבידה הוא חלק מחיי היומיום שלנו. ובכל זאת, כוח הכבידה נותר מסתורי: עד היום איננו מבינים אם הטבע האולטימטיבי שלו הוא גיאומטרי, כפי שאיינשטיין חזה, או נשלט על ידי חוקי מכניקת הקוונטים. עד כה, כל ההצעות הניסיוניות לענות על שאלה זו הסתמכו על יצירת התופעה הקוונטית של הסתבכות בין מסות כבדות ומקרוסקופיות. אבל ככל שעצם כבד יותר, כך הוא נוטה יותר להשיל את תכונותיו הקוונטיות ולהפוך ל'קלאסיות', מה שהופך את זה למאתגר להפליא לגרום למסה כבדה להתנהג כחלקיק קוונטי. במחקר שפורסם ב סקירה פיזית Xחוקרים מאמסטרדם ומאולם מציעים ניסוי שעוקף את הנושאים הללו.
קלאסי או קוונטי?
שילוב מוצלח של מכניקת הקוונטים ופיזיקת כבידה הוא אחד האתגרים העיקריים של המדע המודרני. באופן כללי, ההתקדמות בתחום הזה מעוכבת על ידי העובדה שאנחנו עדיין לא יכולים לבצע ניסויים במשטרים שבהם הן השפעות קוונטיות והן השפעות כבידה רלוונטיות. ברמה בסיסית יותר, כפי שניסח זאת פעם חתן פרס נובל רוג'ר פנרוז, אנחנו אפילו לא יודעים אם תיאוריה משולבת של כוח משיכה ומכניקת קוונטים תדרוש "קוונטיזציה של כוח הכבידה" או "כבידה של מכניקת הקוונטים". במילים אחרות: האם כוח המשיכה הוא ביסודו כוח קוונטי, שתכונותיו נקבעות בקנה מידה קטן ככל האפשר, או שמא הוא כוח 'קלאסי' שמספיק לו תיאור גיאומטרי בקנה מידה גדול? או שזה משהו אחר עדיין?
תמיד נדמה היה שכדי לענות על שאלות אלו, תפקיד מרכזי ישחק על ידי התופעה הקוונטית הטיפוסית של הִסתַבְּכוּת. כפי שמגדיר זאת לודוביקו לאמי, פיזיקאי מתמטי מאוניברסיטת אמסטרדם ו-QuSoft: "השאלה המרכזית, שהוצגה לראשונה על ידי ריצ'רד פיינמן ב-1957, היא להבין האם שדה הכבידה של עצם מסיבי יכול להיכנס למה שנקרא סופרפוזיציה קוונטית, שם זה יהיה בכמה מדינות בו זמנית. לפני עבודתנו, הרעיון המרכזי להכריע בשאלה זו בניסוי היה לחפש הסתבכות הנגרמת על ידי כבידה – דרך שבה מסות מרוחקות אך קשורות יכולות לחלוק מידע קוונטי. קיומה של הסתבכות כזו יזייף את ההשערה ששדה הכבידה הוא מקומי וקלאסי בלבד".
ציור של מאזן הפיתול ששימש את הנרי קוונדיש ב-1797 למדידת עוצמת הכבידה. כעת ניתן להשתמש ב'מתנדים הרמוניים' דומים כדי לחשוף את כמות הכבידה.
זווית אחרת
הבעיה העיקרית עם ההצעות הקודמות היא שאובייקטים מסיביים רחוקים אך קשורים – הידועים בשם מדינות דה-לוקאליות – הם מאתגרים מאוד ליצור. החפץ הכבד ביותר שעבורו נצפתה דה-לוקליזציה קוונטית עד כה הוא מולקולה גדולה, קלה בהרבה ממסת המקור הקטנה ביותר ששדה הכבידה שלה זוהה, שהוא קצת מתחת ל-100 מ"ג – כבד יותר מפי מיליארד מיליארד. זה הרחיק כל תקווה למימוש ניסיוני עשרות שנים.
בעבודה החדשה, לאמי ועמיתיו מאמסטרדם ומאולם – באופן מעניין, המקום בו נולד איינשטיין – מציגים דרך אפשרית לצאת מהמבוי הסתום הזה. הם מציעים ניסוי שיגלה את קוונטיות הכבידה מבלי ליצור שום הסתבכות. לאמי: "אנו מתכננים וחוקרים מחלקה של ניסויים הכוללת מערכת של 'מתנדים הרמוניים' מסיביים – למשל, מטוטלת פיתול, בעצם כמו זו שבה השתמש קוונדיש בניסוי המפורסם שלו משנת 1797 כדי למדוד את עוצמת כוח הכבידה. אנו קובעים גבולות קפדניים מבחינה מתמטית לאותות ניסויים מסוימים לקוונטיות שכוח הכבידה הקלאסי המקומי לא אמור להיות מסוגל להתגבר עליהם. ניתחנו בקפידה את הדרישות הניסויות הדרושות כדי ליישם את ההצעה שלנו בניסוי ממשי, וגילינו שלמרות שעדיין נדרשת מידה מסוימת של התקדמות טכנולוגית, ניסויים כאלה באמת יכולים להיות בהישג יד בקרוב."
צל של הסתבכות
באופן מפתיע, כדי לנתח את הניסוי, החוקרים עדיין זקוקים למנגנון המתמטי של תורת ההסתבכות במדעי המידע הקוונטי. כיצד זה אפשרי? לאמי: "הסיבה היא שלמרות שהסתבכות איננה שם פיזית, היא עדיין שם ברוחה – במובן מתמטי מדויק. די בהסתבכות היה יכול להיות נוצר."
המאמר שבו לאמי ועמיתיו מסבירים את ממצאיהם פורסם השבוע ב-Physical Review X. החוקרים מקווים שהמאמר שלהם הוא רק ההתחלה, ושהצעתם תעזור לתכנן ניסויים שעשויים לענות על השאלה הבסיסית לגבי כמות הכבידה הרבה יותר מוקדם מהצפוי.
