Τα βασικά σημεία του άρθρου
- Για σχεδόν έναν αιώνα, η σύγχρονη φυσική βρίσκεται αντιμέτωπη με το απόλυτο σχίσμα μεταξύ της Γενικής Θεωρίας της Σχετικότητας του Αϊνστάιν και της Κβαντομηχανικής. Αυτοί οι δύο κόσμοι έμοιαζαν ανέκαθεν ξένοι μεταξύ τους.
- Μια διεθνής ομάδα επιστημόνων πέτυχε να φέρει τους «αντίπαλους» κόσμους της σχετικότητας και της κβαντομηχανικής στο ίδιο τραπέζι. Για πρώτη φορά, παρατηρήθηκε πώς η βαρύτητα επηρεάζει ένα κβαντικό αντικείμενο που πέφτει.
- Η μελέτη προσφέρει πειραματική υποστήριξη ότι η αρχή της ισοδυναμίας του Αϊνστάιν παραμένει συνεπής με την ύλη στον κβαντικό κόσμο. Αν και δεν ενοποιεί πλήρως τις δύο θεωρίες, δίνει ενδείξεις για το πώς μπορεί να επιτευχθεί μια τέτοια ενοποίηση.
Για σχεδόν έναν αιώνα, η σύγχρονη φυσική βρίσκεται αντιμέτωπη με το απόλυτο σχίσμα: από τη μία πλευρά, η Γενική Θεωρία της Σχετικότητας του Άλμπερτ Αϊνστάιν εξηγεί άψογα πώς η βαρύτητα κυβερνά τους γιγαντιαίους γαλαξίες και τα άστρα, ενώ από την άλλη, η Κβαντομηχανική περιγράφει με ακρίβεια τους παράξενους κανόνες που διέπουν τον μικρόκοσμο των ατόμων. Αυτοί οι δύο κόσμοι έμοιαζαν ανέκαθεν ξένοι μεταξύ τους, σαν να μιλούν εντελώς διαφορετικές γλώσσες.
Τώρα, μια διεθνής ομάδα επιστημόνων πέτυχε κάτι που μέχρι πρότινος φάνταζε ακατόρθωτο: να φέρει αυτούς τους δύο «αντίπαλους» κόσμους στο ίδιο τραπέζι. Μέσα από ένα πείραμα-ορόσημο, το πρώτο στο είδος του, οι ερευνητές κατάφεραν να παρατηρήσουν για πρώτη φορά πώς η βαρύτητα επηρεάζει ένα κβαντικό αντικείμενο την ώρα που πέφτει, ανοίγοντας μια νέα πόρτα στα βαθύτερα μυστικά του σύμπαντος.
Μια διεθνής ερευνητική ομάδα ανακοίνωσε την πρώτη στα χρονικά επιτυχή παρατήρηση της επίδρασης της βαρύτητας σε ένα κβαντικό αντικείμενο που πέφτει, αποδεικνύοντας μια σύνδεση μεταξύ της βαρύτητας και του κβαντικού κόσμου την οποία είχε προβλέψει πρώτος ο Άλμπερτ Αϊνστάιν.
Η ερευνητική ομάδα δήλωσε ότι το αποτέλεσμα αυτό δεν ενοποιεί την κβαντομηχανική με τη βαρύτητα, ούτε αποδεικνύει ότι η βαρύτητα είναι ένα κβαντικό φαινόμενο. Ωστόσο, οι ερευνητές δήλωσαν ότι η μελέτη τους προσφέρει πειραματική υποστήριξη ότι η αρχή της ισοδυναμίας του Αϊνστάιν, μια θεμελιώδης έννοια στην καρδιά της διάσημης θεωρίας του για τη βαρύτητα, παραμένει συνεπής με την ύλη στον κβαντικό κόσμο.
Το ιερό δισκοπότηρο της Φυσικής: Γεφυρώνοντας το χάσμα ανάμεσα στον Αϊνστάιν και τα κβάντα
Όταν οι φυσικοί θέλουν να περιγράψουν τη φύση, βασίζονται σε δύο διαφορετικά σύνολα κανόνων. Η θεωρία της βαρύτητας του Αϊνστάιν εξηγεί τη μηχανική των φαινομένων μεγάλης κλίμακας, όπως τα άστρα και οι γαλαξίες. Αντίθετα, η κβαντομηχανική βοηθά τους επιστήμονες να χαρακτηρίσουν τη συμπεριφορά εξαιρετικά μικρών αντικειμένων.
Παρόλα αυτά, η εύρεση μιας επιστημονικής γέφυρας που θα ενώνει αυτά τα δύο σύνολα κανόνων παραμένει άπιαστη. «Αυτοί οι δύο πυλώνες της σύγχρονης φυσικής έχουν αποφύγει μέχρι στιγμής όλες τις προσπάθειες για ένα ενοποιημένο θεωρητικό πλαίσιο», εξήγησε ο καθηγητής Ron Folman από το Πανεπιστήμιο Μπεν Γκουριόν της Νεγκέβ και επικεφαλής συγγραφέας της νέας μελέτης.
Ο Αϊνστάιν, ωστόσο, εντόπισε έναν μηχανισμό όπου οι δύο αυτοί κόσμοι συναντώνται. Γνωστή ως η αρχή της ισοδυναμίας, η συγκεκριμένη έννοια ορίζει ότι η βαρύτητα θα πρέπει ουσιαστικά να εξαφανίζεται για έναν παρατηρητή που βρίσκεται σε ελεύθερη πτώση.
Για παράδειγμα, η NASA προσομοιώνει περιβάλλοντα μηδενικής βαρύτητας πετώντας αστροναύτες με ένα αεροπλάνο που εκτελεί διαδοχικές ανοδικές και καθοδικές παραβολικές τροχιές. Κατά τη διάρκεια των σύντομων περιόδων πτώσης, οι αστροναύτες βιώνουν για λίγο την «έλλειψη βαρύτητας» λόγω της αρχής της ισοδυναμίας.
Το πείραμα του Νόμπελ: Αναζητώντας τους κβαντικούς κανόνες στην ελεύθερη πτώση
Με την περιέργεια να ανακαλύψει αν τα ίδια φαινόμενα θα ίσχυαν και στον κβαντικό κόσμο, η ερευνητική ομάδα, στην οποία συμμετείχε ο βραβευμένος με Νόμπελ φυσικός, καθηγητής Sir Roger Penrose, σχεδίασε μια σειρά πειραμάτων.
Σύμφωνα με ανακοίνωση για την παρουσίαση της έρευνας, η ομάδα ήλπιζε ότι η διάταξή της θα της επέτρεπε να μετρήσει μια «χαρακτηριστική αλλαγή στις κβαντικές ιδιότητες των ατόμων καθώς αυτά έπεφταν υπό την επίδραση της βαρύτητας».
Στο κέντρο βρίσκεται μια γυάλινη κυψελίδα υπό κενό, τοποθετημένη ανάμεσα σε πηνία που παράγουν μαγνητικά πεδία. Τα άτομα εισέρχονται στον θάλαμο πειραμάτων μέσα από τη μικροσκοπική οπή που διακρίνεται στο κέντρο της κίτρινης (ανακλαστικής) επιφάνειας.(Πηγή εικόνας: Or Dobkowski)
Ιστορική καταγραφή: Η βαρύτητα “λυγίζει” τον κβαντικό κόσμο στην πράξη
Για να αναζητήσουν την επίδραση της βαρύτητας στον κβαντικό κόσμο, οι ερευνητές δημιούργησαν νέφη ατόμων ρουβιδίου, ψυγμένα ελάχιστα πάνω από το απόλυτο μηδέν. Οι ερευνητές χρησιμοποίησαν ένα ειδικά σχεδιασμένο ατομικό τσιπ (atom chip) που επέτρεψε στην ομάδα να χειριστεί τα υπερψυχρα αυτά άτομα ρουβιδίου.
Στη συνέχεια, ο υποψήφιος διδάκτωρ Or Dobkowski και οι συνεργάτες του χρησιμοποίησαν παλμούς μικροκυμάτων για να θέσουν τα άτομα σε κατάσταση κβαντικής υπέρθεσης. Αυτή η μοναδική κβαντική κατάσταση επιτρέπει σε κάθε άτομο να ταξιδεύει σε δύο μονοπάτια ταυτόχρονα.
Χρησιμοποιώντας μικροσκοπικά ηλεκτρικά καλώδια ενσωματωμένα στο εξειδικευμένο τσιπ, οι ερευνητές δημιούργησαν ρυθμιζόμενα μαγνητικά πεδία. Οι ερευνητές δήλωσαν ότι η δυνατότητα ρύθμισης ακριβείας του πεδίου τούς επέτρεψε να ασκήσουν μια ανοδική δύναμη στο ένα μισό του ατομικού κύματος.
Για αυτό το πείραμα, η ομάδα δημιούργησε ένα μαγνητικό πεδίο με την ακριβή ισχύ που απαιτείτο για να εξουδετερωθεί η βαρύτητα, κρατώντας ουσιαστικά αυτό το μισό του κύματος ακίνητο σε σχέση με τη Γη. Αφού ανέστειλαν το πρώτο μισό του κύματος, η ομάδα χρησιμοποίησε έναν μαγνητικό παλμό για να ανυψώσει το δεύτερο μέρος.
Στη συνέχεια, η ομάδα γύρισε το σύστημα σε μια κατάσταση που παρέμενε σχεδόν ανεπηρέαστη από το μαγνητικό πεδίο, επιτρέποντάς του να πέσει υπό την επίδραση της βαρύτητας. Μόλις το δεύτερο μισό ολοκλήρωσε την πτώση του, η ομάδα χρησιμοποίησε μαγνητικά πεδία για να επανενώσει τα δύο μισά.
Κατά την επανένωση, τα δύο μισά του ατομικού κύματος αλληλεπίδρασαν μεταξύ τους (προκάλεσαν συμβολή). Οι ερευνητές δήλωσαν ότι αυτή η αλληλεπίδραση τους επέτρεψε να «μετρήσουν τη μικροσκοπική διαφορά στην κβαντική φάση που συσσωρεύτηκε ενόσω το ένα μισό έπεφτε και το άλλο παρέμενε ακίνητο». «Η φάση που μετρήθηκε στο νέο πείραμα είναι η ίδια με εκείνη που προβλέπεται όταν η αρχή του Αϊνστάιν εφαρμόζεται σε ένα τέτοιο κβαντικό κύμα», εξήγησαν.
Απαντώντας στο απόλυτο μυστήριο: Ένα από τα πιο θεμελιώδη ερωτήματα της σύγχρονης Φυσικής
Συζητώντας τα αποτελέσματα, η ερευνητική ομάδα δήλωσε ότι το εύρημά τους δεν θα πρέπει να ερμηνευθεί ως απόδειξη ότι η βαρύτητα είναι κβαντική. Επίσης, τα αποτελέσματα δεν ενοποιούν τη βαρύτητα με την κβαντομηχανική.
Ωστόσο, ο Folman σημείωσε: «Αυτό το πολύπλοκο πείραμα δίνει περισσότερες ενδείξεις για το πώς μπορεί να επιτευχθεί μια τέτοια ενοποίηση».
Ένας από τους συγγραφείς της μελέτης, καθηγητής Vlatko Vedral από το Τμήμα Φυσικής του Πανεπιστημίου της Οξφόρδης, συμφώνησε, σημειώνοντας παράλληλα ότι τα πειραματικά τους αποτελέσματα απέδειξαν με επιτυχία τη συμβατότητα της αρχής της ισοδυναμίας του Αϊνστάιν με την κβαντομηχανική, γεγονός που από μόνο του παρέχει μια πειραματική σύνδεση μεταξύ της κβαντικής φυσικής και της θεωρίας του Αϊνστάιν για τη βαρύτητα.
«Αυτό το πείραμα ωθεί την κβαντομηχανική σε ένα από τα πιο συναρπαστικά σύνορά της, τη βαρύτητα, και δείχνει ότι, για άλλη μια φορά, οι προβλέψεις της επιβεβαιώνονται», εξήγησε ο καθηγητής Vedral.
Ο καθηγητής σημείωσε επίσης τον συνδυασμό σκληρών πειραματικών δεδομένων της έρευνας με μια «ευρείας εμβέλειας θεωρητική ερμηνεία, σχετικά με ένα από τα πιο θεμελιώδη ερωτήματα στη φυσική: Πώς μπορούν η βαρύτητα (που περιγράφεται από τη θεωρία της σχετικότητας του Αϊνστάιν) και η κβαντική θεωρία να ενοποιηθούν σε μία ενιαία κατανόηση του σύμπαντος;»
Η μελέτη με τίτλο «Observation of the quantum phase of free fall and the consistency with the equivalence principle» δημοσιεύθηκε στο επιστημονικό περιοδικό Science Advances.