17 مه 2023 -توسط دانشگاه صنعتی وین -در پس‌زمینه: اثر عدسی گرانشی، نمونه‌ای از اثری که توسط نسبیت توضیح داده شده است. با ذرات کوانتومی می توان اثرات مشابهی را مطالعه کرد. اعتبار: ناسا، دانشگاه صنعتی وین
وقتی می‌خواهید پدیده‌هایی در مقیاس کیهانی را توضیح دهید، نظریه نسبیت به خوبی کار می‌کند – مانند امواج گرانشی که هنگام برخورد سیاهچاله‌ها ایجاد می‌شوند. نظریه کوانتومی هنگام توصیف پدیده‌های مقیاس ذره – مانند رفتار تک تک الکترون‌ها در یک اتم، به خوبی کار می‌کند. اما ترکیب این دو به روشی کاملا رضایت بخش هنوز محقق نشده است. جست‌وجوی «نظریه کوانتومی گرانش» یکی از مهم‌ترین وظایف حل‌نشده علم در نظر گرفته می‌شود.
این تا حدی به این دلیل است که ریاضیات در این زمینه بسیار پیچیده است. در عین حال، انجام آزمایش‌های مناسب دشوار است: باید موقعیت‌هایی ایجاد کرد که در آن پدیده‌های هر دو نظریه نسبیت نقش مهمی ایفا کنند، برای مثال، فضازمان منحنی شده توسط جرم‌های سنگین، و در عین حال، اثرات کوانتومی. به عنوان مثال ذره دوگانه و ماهیت موجی نور قابل مشاهده می شوند.
در TU Wien در وین، اتریش، اکنون یک رویکرد جدید برای این منظور ایجاد شده است: یک به اصطلاح “شبیه ساز کوانتومی” برای رسیدن به انتهای چنین سوالاتی استفاده می شود: به جای بررسی مستقیم سیستم مورد نظر (یعنی کوانتومی) ذرات در فضازمان منحنی، یک «نظام مدل» ایجاد می‌کند که از آن می‌توان با قیاس چیزی در مورد سیستم مورد علاقه واقعی یاد گرفت. اکنون محققان نشان داده اند که این شبیه ساز کوانتومی عالی عمل می کند.
یافته های این همکاری بین المللی شامل فیزیکدانان دانشگاه کرت، دانشگاه فنی نانیانگ و FU برلین اکنون در مجله مجموعه مقالات آکادمی ملی علوم (PNAS) منتشر شده است.
یادگیری از یک سیستم در مورد سیستم دیگر
ایده اصلی پشت شبیه ساز کوانتومی ساده است: بسیاری از سیستم های فیزیکی مشابه هستند. حتی اگر ذرات یا سیستم‌های فیزیکی کاملاً متفاوتی در مقیاس‌های مختلف باشند که در نگاه اول ارتباط چندانی با یکدیگر ندارند، این سیستم‌ها ممکن است از قوانین و معادلات یکسانی در سطح عمیق‌تر پیروی کنند. این بدان معناست که فرد می تواند با مطالعه سیستمی دیگر چیزی در مورد یک سیستم خاص یاد بگیرد.
پروفسور Jörg Schmiedmayer از موسسه اتمی در TU Wien می گوید: ما یک سیستم کوانتومی را انتخاب می کنیم که می دانیم می توانیم آن را به خوبی در آزمایشات کنترل و تنظیم کنیم. در مورد ما، اینها ابرهای اتمی فوق سردی هستند که توسط یک تراشه اتمی با میدان های الکترومغناطیسی نگهداری و دستکاری می شوند.
فرض کنید این ابرهای اتمی را به درستی تنظیم کرده اید تا خواص آنها به سیستم کوانتومی دیگری تبدیل شود. در آن صورت، شما می‌توانید از اندازه‌گیری سیستم مدل ابر اتمی چیزی در مورد سیستم دیگر بیاموزید – درست مانند چیزی که می‌توانید در مورد نوسان یک آونگ از نوسان جرم متصل به یک فنر فلزی بیاموزید: آنها دوتا متفاوت هستند. سیستم های فیزیکی، اما یکی را می توان به دیگری ترجمه کرد.
اثر عدسی گرانشی
محمدامین تاجیک از مرکز علوم و فناوری کوانتومی وین (VCQ)—TU Wien، اولین نویسنده مقاله فعلیمی گوید:
در خلاء، نور در امتداد یک به اصطلاح “مخروط نور” منتشر می شود. سرعت نور ثابت است. در زمان های مساوی، نور در هر جهت مسافت یکسانی را طی می کند. با این حال، اگر نور تحت تأثیر توده های سنگین، مانند گرانش خورشید باشد، این مخروط های نور خم می شوند. مسیرهای نور دیگر در فضازمان های منحنی کاملاً مستقیم نیستند. به این «اثر لنز گرانشی» می گویند.
اکنون می توان همین را در ابرهای اتمی نشان داد. به جای سرعت نور، سرعت صوت را بررسی می کنیم. اکنون ما سیستمی داریم که در آن اثری وجود دارد که مربوط به انحنای فضازمان یا عدسی گرانشی است، اما در عین حال، این یک سیستم کوانتومی است که می توانید آن را با تئوری های میدان کوانتومی توصیف کنید. با این کار، ما ابزار کاملا جدیدی برای مطالعه ارتباط بین نسبیت و نظریه کوانتومی داریم.
یک سیستم مدل برای گرانش کوانتومی
آزمایش‌ها نشان می‌دهند که شکل مخروط‌های نور، اثرات عدسی، بازتاب‌ها و سایر پدیده‌ها را می‌توان دقیقاً همانطور که در سیستم‌های کیهانی نسبیتی انتظار می‌رود، در این ابرهای اتمی نشان داد. این نه تنها برای تولید داده‌های جدید برای تحقیقات نظری پایه جالب است – فیزیک حالت جامد و جستجوی مواد جدید نیز با سؤالاتی مواجه می‌شوند که ساختار مشابهی دارند و بنابراین می‌توان با چنین آزمایش‌هایی به آنها پاسخ داد.
یورگ اشمید مایر توضیح می‌دهد: «ما اکنون می‌خواهیم این ابرهای اتمی را بهتر کنترل کنیم تا داده‌های گسترده‌تری را تعیین کنیم. برای مثال، تعامل بین ذرات همچنان می‌تواند به روشی بسیار هدفمند تغییر کند. به این ترتیب، شبیه‌ساز کوانتومی می‌تواند موقعیت‌های فیزیکی را بازسازی کند که به قدری پیچیده هستند که قابل محاسبه نیستند.
بنابراین، شبیه‌ساز کوانتومی به منبع اطلاعاتی جدید و اضافی برای تحقیقات کوانتومی-علاوه بر محاسبات نظری، شبیه‌سازی‌های کامپیوتری و آزمایش‌های مستقیم- تبدیل می‌شود. در هنگام مطالعه ابرهای اتمی، تیم تحقیقاتی امیدوار است که با پدیده‌های جدیدی مواجه شود که ممکن است تا به حال کاملاً ناشناخته بوده باشند، که در مقیاس کیهانی و نسبیتی نیز رخ می‌دهند – اما بدون نگاهی به ذرات ریز، ممکن است هرگز کشف نشده باشند .
