این ناسازگاری دهه‌هاست که جامعه‌ی فیزیک را به چالش کشیده است. اگرچه پیشرفت‌هایی در ارائه‌ی نظریه‌هایی که بتوانند این دو را سازگار کنند حاصل شده، اما شواهد آزمایشی کمی برای تأیید این نظریه‌ها وجود دارد. اینجاست که یک پژوهشگر از مؤسسه‌ی مفاهیم پیشرفته‌ی ناسا وارد عمل می‌شود—”سلیم شهریار” از دانشگاه نورث‌وسترن در ایوانستون اخیراً بودجه‌ای برای کار بر روی مفهومی به نام “اندازه‌گیری فوق‌دقیق اثر اصل هم‌ارزی در گرانش کوانتومی در فضا” (SUPREME-GQ) دریافت کرده است. او امیدوار است که این پروژه بتواند داده‌های آزمایشی دقیقی در این زمینه جمع‌آوری کند.
به‌طور خلاصه، این آزمایش پیچیده است. در مرکز آن، یک سامانه‌ی فضایی مجهز به حسگر کوانتومی درهم‌تنیده و سیستم‌های موقعیت‌یابی دقیق قرار دارد. اما برای درک اهمیت این آزمایش در بررسی گرانش کوانتومی، ابتدا باید اصل هم‌ارزی را که از اصول بنیادین نسبیت عام است، توضیح دهیم.
اصل هم‌ارزی و چالش گرانش کوانتومی
اصل هم‌ارزی بیان می‌کند که نیروی گرانش و شتاب یکسان هستند. این مفهوم در قلب نظریه‌ی نسبیت عام قرار دارد که گرانش را نه به‌عنوان یک نیرو، بلکه به‌عنوان خمیدگی فضا-زمان در نظر می‌گیرد. بااین‌حال، بسیاری از نظریه‌های گرانش کوانتومی پیش‌بینی می‌کنند که این اصل در مقیاس‌های بسیار کوچک، جایی که اثرات کوانتومی غالب می‌شوند، نقض می‌شود.
برای توصیف این انحراف، فیزیکدانان از “پارامتر اوتووش” (Eötvös Parameter) استفاده می‌کنند. این پارامتر نشان می‌دهد که جرم گرانشی و جرم لختی چقدر به هم نزدیک هستند. طبق نسبیت عام، این دو جرم باید برابر باشند، اما برخی نظریه‌های گرانش کوانتومی پیش‌بینی می‌کنند که در مقیاس‌های بسیار کوچک، اختلافی بین آن‌ها ایجاد می‌شود که خود را به‌صورت مقدار غیرصفر برای پارامتر اوتووش نشان می‌دهد.
تاکنون مقدار این پارامتر تا حد ۱۰−۱۵۱۰^{-۱۵}۱۰−۱۵ در آزمایش MICROSCOPE که به‌طور خاص برای بررسی این موضوع طراحی شده بود، اندازه‌گیری شده است. محققان این پروژه در سال ۱۴۰۱ گزارشی منتشر کردند که دقیق‌ترین اندازه‌گیری از این پارامتر تا به امروز محسوب می‌شود. اما در این آزمایش از شتاب‌سنج‌های سنتی استفاده شد که اگرچه دقتی بیش از ۱۰۰ برابر آزمایش‌های زمینی داشتند، اما نتوانستند مقدار این پارامتر را تا سطح ۱۰−۱۸۱۰^{-۱۸}۱۰−۱۸ که برخی نظریه‌ها مانند نظریه‌ی ریسمان پیش‌بینی می‌کنند، اندازه‌گیری کنند.
ورود به مرحله‌ی جدید: بررسی و کاربرد تداخل‌سنج‌های اتمی
در اینجا دکتر شهریار و تیمش وارد عمل می‌شوند. هدف آن‌ها توسعه‌ی یک پلتفرم فضایی است که از تداخل‌سنج‌های اتمی (AIs) برای محدود کردن مقدار پارامتر اوتووش تا سطح ۱۰−۲۰۱۰^{-۲۰}۱۰−۲۰ استفاده کند—سطحی که در آن ممکن است بتوان برخی نظریه‌های گرانش کوانتومی را تأیید یا رد کرد. اما برای دستیابی به این هدف، ابتدا باید مراحل زیادی را طی کنند.
یکی از گام‌های کلیدی در این مسیر، بررسی چگونگی استفاده از درهم‌تنیدگی کوانتومی در تداخل‌سنج‌های اتمی است. این تداخل‌سنج‌ها بر اساس ماهیت دوگانه‌ی اتم‌ها (مشابه دوگانگی موج-ذره‌ی نور) کار می‌کنند. در این روش، یک پرتو از اتم‌ها (در این مورد، اتم‌های روبیدیوم) با استفاده از لیزرها به مسیرهای جداگانه‌ای تقسیم می‌شود. اگر این اتم‌ها مشاهده نشوند، وارد حالتی مشابه آزمایش معروف “گربه‌ی شرودینگر” در مکانیک کوانتومی می‌شوند.
اما تاکنون چنین حالتی در آزمایش‌های فیزیکی ایجاد نشده است. بنابراین، گام بعدی در کار دکتر شهریار توسعه‌ی یک روش جدید برای حفظ این حالت درهم‌تنیده برای مدت‌زمان طولانی است. تیم او یک پروتکل به نام “پروتکل فشرده‌سازی اکو تعمیم‌یافته” طراحی کرده است که به‌صورت نظری امکان حفظ این حالت را فراهم می‌کند. در صورت موفقیت، این روش اجازه می‌دهد تا اندازه‌گیری‌های فوق‌دقیقی از اختلاف بین دو حالت انجام شود و این اختلافات می‌توانند به محاسبه‌ی بسیار دقیق پارامتر اوتووش کمک کنند.
تداخل‌سنج “گربه‌ی شرودینگر” و بررسی کاربردهای آن
فناوری اصلی این پروژه که تیم پژوهشی آن را “تداخل‌سنج اتمی گربه‌ی شرودینگر” (SCAI) نامیده است، می‌تواند کاربردهای گسترده‌ای فراتر از فیزیک بنیادی داشته باشد. در صورت موفقیت، این حسگرها می‌توانند تا هزاران برابر دقیق‌تر از شتاب‌سنج‌ها یا ژیروسکوپ‌های معمولی باشند که در سامانه‌های هدایت و ناوبری، خودروها، و بسیاری از کاربردهای دیگر مورد استفاده قرار می‌گیرند.
البته هنوز کار زیادی باقی مانده است، حتی برای اثبات امکان‌پذیری اجرای این فناوری در دنیای واقعی. ورود به دنیای عدم‌قطعیت‌های کوانتومی، چالش‌های زیادی را به همراه دارد، نه فقط برای “گربه‌ی نظری شرودینگر”! اما اگر دکتر شهریار و تیمش موفق به ساخت یک SCAI فضایی شوند، ما چندین گام به حل یکی از بزرگ‌ترین معماهای فیزیک مدرن نزدیک‌تر خواهیم شد.
