Tech

แรงโน้มถ่วงเป็นแรงควอนตัมจริงหรือ?

กรอบความเข้าใจที่มีอยู่ของแรงโน้มถ่วงถูกคิดค้นขึ้นเมื่อหนึ่งศตวรรษก่อนโดย Albert Einstein ในทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปของ Einstein ทฤษฎีสรุปว่าแรงโน้มถ่วงเป็นความโค้งของกาลอวกาศ

แต่ทฤษฎีนี้ตกอยู่ใกล้ ศูนย์กลางของหลุมดำ หรือ ในช่วงเวลาแรกของจักรวาล นักฟิสิกส์ต้องการภาพแรงโน้มถ่วงที่แท้จริงมากขึ้นเพื่ออธิบายความสุดโต่งเหล่านี้อย่างแม่นยำ

นี่คือเวลาที่กลศาสตร์ควอนตัมครอบงำ แต่นักฟิสิกส์ก็ยังไม่สามารถรวมทฤษฎีควอนตัมกับแรงโน้มถ่วงมาเป็นเวลาหลายทศวรรษได้

(1) ใน อะตอมมิกอินเตอร์เฟอโรมิเตอร์ ฟังก์ชันคลื่นของอะตอมแบ่งออกเป็นแขนซ้ายและขวา จากนั้นแขนซ้ายและขวาจะรวมกันใหม่ทำให้เกิดรูปแบบการรบกวน เครดิต: S. Kelley/NIST

ตามที่นักฟิสิกส์กล่าวไว้ เช่นเดียวกับแรงธรรมชาติอื่นๆ แรงโน้มถ่วงต้องมีรูปแบบควอนตัม

การทดลองใหม่อาจช่วยแก้ปัญหาที่ค้างอยู่ได้: แรงโน้มถ่วงเป็นแรงควอนตัมจริงหรือ การทดลองดำเนินการโดยนักวิทยาศาสตร์ที่

Berkeley Lab และ สถาบันมาตรฐานและเทคโนโลยีแห่งชาติ (NIST) ใช้ประโยชน์จากคุณสมบัติที่แปลกประหลาดที่สุดสองประการของทฤษฎีควอนตัม: หลักการซ้อนทับและการพัวพัน

ในทฤษฎีของ แรงโน้มถ่วงควอนตัม กราวิตอนคือควอนตัมของแรงโน้มถ่วงตามสมมุติฐาน มันทำหน้าที่เป็นสื่อกลางของปฏิสัมพันธ์แรงโน้มถ่วงระหว่างวัตถุขนาดใหญ่สองชิ้น ดังนั้น หากกราวิตอนมีอยู่จริง มันควรเชื่อมต่อหรือเข้าไปพัวพันกับคุณสมบัติของวัตถุขนาดใหญ่สองก้อน

การทดลองนี้เป็นวิธีที่ชาญฉลาดในการทดสอบว่าวัตถุขนาดใหญ่สองก้อนสามารถพันกันด้วยแรงโน้มถ่วงได้จริงหรือไม่

atom's wave function
เมื่อการทดลองเริ่มต้นขึ้น ฟังก์ชันคลื่นของอะตอมจะไม่ได้รับผลกระทบจากลูกตุ้ม ซึ่งหมายความว่าแขนทั้งสองข้างของอะตอมเดี่ยวจะแทรกแซงกันอย่างเต็มที่ เครดิต: S. Kelley/NIST

การทดลองจะใช้กลุ่มเมฆเย็นของอะตอมที่ติดอยู่ภายในเครื่องวัดระยะนิวเคลียร์ อินเตอร์เฟอโรมิเตอร์มีสองแขน—แขนซ้ายและแขนขวา ตามหลักการทับซ้อน หากอะตอมแต่ละอะตอมในเมฆอยู่ในสถานะควอนตัมที่บริสุทธิ์และไม่ถูกรบกวน มีแนวโน้มที่จะแสดงภาพเป็นคลื่นที่ครอบครองแขนทั้งสองพร้อมกัน เมื่อคลื่นทั้งสองส่วนรวมกันอีกครั้งหนึ่งจากแขนแต่ละข้าง พวกมันจะสร้างรูปแบบการรบกวนที่เผยให้เห็นความก้าวหน้าของวิถีของมันเนื่องจากแรงเช่นแรงโน้มถ่วง มีการแนะนำลูกตุ้มนอกอินเตอร์เฟอโรมิเตอร์ มวลสารแขวนลอยและอะตอมถูกดึงดูดด้วยแรงโน้มถ่วง หากแรงดึงดูดนั้นทำให้เกิดสิ่งกีดขวาง มันจะมีลักษณะอย่างไร

มวลที่แขวนลอยจะมีความสัมพันธ์กับตำแหน่งเฉพาะของอะตอม—ไม่ว่าจะเป็นแขนขวาของอินเตอร์เฟอโรมิเตอร์หรือทางซ้าย ส่งผลให้มวลเริ่มแกว่งไปทางซ้ายหรือขวา ถ้าอะตอมอยู่ทางด้านซ้าย ลูกตุ้มจะเริ่มแกว่งไปทางซ้าย ถ้าอะตอมอยู่ทางขวา ลูกตุ้มจะเริ่มแกว่งไปทางขวา แรงโน้มถ่วงเข้าไปพัวพันกับตำแหน่งของอะตอมในอินเตอร์เฟอโรมิเตอร์กับทิศทางที่ลูกตุ้มเริ่มแกว่ง

gravitational attraction
(3) ถ้าแรงโน้มถ่วงทำให้เกิดการพัวพันระหว่างลูกตุ้มกับอะตอม ลูกตุ้ม จะวัดตำแหน่งของอะตอมบางส่วนโดยเน้นไปที่แขนข้างหนึ่งหรืออีกข้างหนึ่ง เครดิต: S. Kelley/NIST

การพัวพันตำแหน่งหมายความว่าลูกตุ้มได้วัดตำแหน่งของอะตอมอย่างมีประสิทธิภาพ โดยชี้ไปยังตำแหน่งเฉพาะภายในอินเตอร์เฟอโรมิเตอร์ เนื่องจากอะตอมไม่ได้อยู่ในตำแหน่งซ้อนทับของการอยู่ในแขนทั้งสองพร้อมกัน รูปแบบการแทรกสอดจึงหายไปหรือลดลง

เกือบครึ่งช่วงเวลาต่อมา มวลที่แกว่งไปมาจะสูญเสียความทรงจำทั้งหมดเกี่ยวกับสิ่งกีดขวางแรงโน้มถ่วงเพียงครั้งเดียว มันกลับสู่จุดเริ่มต้น และเมื่อมันกลับมาที่ตำแหน่งเริ่มต้น ก็มีโอกาสเท่ากันที่ลูกตุ้มจะเลือกตำแหน่งของอะตอมที่แขนซ้ายหรือขวา ในขณะนั้น ความพัวพันระหว่างมวลกับอะตอมได้หายไป และรูปแบบการรบกวนของอะตอมก็ปรากฏขึ้นอีกครั้ง

ครึ่งเวลาต่อมา ลูกตุ้มจะแกว่งไปด้านใดด้านหนึ่ง สิ่งนี้จะสร้างสิ่งกีดขวางอีกครั้งและลดรูปแบบการรบกวนอีกครั้ง ในขณะที่ลูกตุ้มแกว่งไปมา รูปแบบจะเกิดซ้ำ—การรบกวน การรบกวนที่ลดลง การรบกวน

half oscillation period
แต่ละช่วงครึ่งแกว่ง ลูกตุ้มจะกลับไปยังจุดเริ่มต้น สูญเสียความทรงจำทั้งหมด ของสิ่งกีดขวางแรงโน้มถ่วงที่สร้างและฟื้นฟูการรบกวนอย่างสมบูรณ์ เครดิต: S. Kelley/NIST

แดเนียล คาร์นีย์ ซึ่งปัจจุบันอยู่ที่ห้องปฏิบัติการแห่งชาติลอว์เรนซ์ เบิร์กลีย์ กล่าวว่า “การล่มสลายและการฟื้นตัวของการแทรกแซงครั้งนี้จะเป็น “ ปืนสูบบุหรี่” เพื่อพัวพัน เป็นเรื่องยากสำหรับปรากฏการณ์ใดๆ ที่นอกเหนือไปจากการพัวพันกับแรงโน้มถ่วงเพื่อสร้างวัฏจักรดังกล่าว”

Jake Taylor แห่ง Joint Quantum Institute แห่งมหาวิทยาลัยแมริแลนด์ของ NIST กล่าวว่า “แม้ว่าการทดลองในอุดมคติอาจใช้เวลากว่าทศวรรษหรือมากกว่านั้นในการสร้าง เวอร์ชันเบื้องต้นอาจพร้อมใช้ในเวลาเพียงไม่กี่ปี สามารถใช้ทางลัดต่างๆ เพื่อทำให้สังเกตสิ่งต่างๆ ได้ง่ายขึ้น ทางลัดที่ใหญ่ที่สุดคือการน้อมรับสมมติฐานที่คล้ายกับ ทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปของไอน์สไตน์ ที่มัน ไม่สำคัญว่าเมื่อใดที่คุณเริ่มการทดสอบ—คุณควรได้ผลลัพธ์เหมือนเดิมเสมอ”

“ต้องพิจารณาแหล่งที่มาที่ไม่ใช่แรงโน้มถ่วงของสิ่งกีดขวางควอนตัม ซึ่งจะต้องมีการออกแบบและการวัดอย่างระมัดระวังเพื่อป้องกันไม่ให้”

การอ้างอิงวารสาร:
    Daniel Carney et al., การใช้ Atom Interferometer เพื่ออนุมานสิ่งกีดขวางแรงโน้มถ่วง รุ่น PRX ควอนตัม (2021) ดอย:
    10.1103/PRXQuantum.2.030330

          ตรังủ
          ธุรกิจ
          อาหาร ไลฟ์สไตล์

          เทค มาร์เก็ตติ้งดิจิทัล (Digital Marketing)

    Back to top button