متاهة ضوء على طاولة: كيف نلتقط الإزاحة الحمراء الثقالية لفوتونات مفردة سريع

الأصل: "50-km fiber interferometer for testing gravitational signatures in quantum interference"
arXiv:2511.17022 · 2025-11-21 · CC BY 4.0 · 1 دقيقة
متاهة من الألياف البصرية بطول 50 كيلومترًا على طاولة ساعدت لأول مرة في قياس مباشر لكيفية إزاحة الجاذبية لموجة الفوتون المفرد.

نظرية الجاذبية الكلاسيكية لأينشتاين — النظرية النسبية العامة، التي تصف الجاذبية بانحناء الزمكان — وفيزياء الكم نادرًا ما تلتقيان في تجارب مباشرة. في هذا العمل، أنشأ العلماء على طاولة المختبر مقياس تداخل: متاهة من الألياف الزجاجية بطول 50 كيلومترًا ملفوفة في ملف مضغوط. أُطلقت فيها فوتونات مفردة — كمات الضوء. وفقًا للنظرية النسبية العامة، تعمل الجاذبية على انحناء الزمكان داخل هذه المتاهة، مما يؤدي إلى تغير في طور موجة الضوء عند الخروج: يحدث تأخير مجهري، وكأن أحد الممرات امتد بشكل غير ملحوظ — وهذا هو الإزاحة الحمراء الثقالية.

50 كيلومترًا من الألياف الزجاجية — أطول من سباق الماراثون، ملفوفة في ملف بحجم طبق.

لتمييز التأثير الثقالي وعدم الخلط بينه وبين الضوضاء الزلزالية، عُلقت الطاولة على نظام ممتصات للاهتزازات: حتى اهتزاز قطار بعيد قد يدمر دقة القياسات. قارن الجهاز بين نصفي موجة الفوتون المنقسمة، اللذين سلكا مسارين مختلفين، وسجل فرق الأطوار — وهو انحراف لا يتجاوز أجزاء من المليون من الراديان. وهكذا، ولأول مرة في ظروف مختبرية، تمكن الباحثون من تسجيل الإزاحة الحمراء الثقالية لكمات ضوئية منفردة. يفتح هذا الإنجاز الطريق لاختبار كيفية «إحساس» الجسيمات الكمومية بالزمكان المنحني الزمكان. في المستقبل، قد تتيح مثل هذه الكاشفات الطاولية التقاط الموجات الثقالية — تموجات الزمكان على المستوى المجهري.

تأثير الجاذبية على الضوء ضعيف جدًا لدرجة أنه عند الصعود مترًا واحدًا يتغير التردد بمقدار $10^{-16}$ فقط. في التجربة، التقطوا إزاحة طورية تبلغ 6 أجزاء من مائة ألف من الراديان — أي ما يعادل ملاحظة دوران عجلة بسمك شعرة.

في فيلم «Interstellar» أرسل الأبطال إشارة عبر الجاذبية. المتاهات الضوئية الحقيقية على الطاولات تُظهر الآن كيف تتشابك الجسيمات الكمومية في الفضاء المنحني.

العلماء
Rainer SachsAlbert EinsteinRobert H. DickeJacob BekensteinKarl SchwarzschildJoseph Weber
المفاهيم
مقياس التداخل ماخ-زيندر مقياس الجاذبية غيغاهرتز تجارب مختبرية للجاذبية الكمومية مقياس تداخل ليزري قياس تداخل موجات الجاذبية مستشعر المجال الكهربائي العذراء قياس التداخل فوتون الميكروويف ليزا إزاحة الطور كاشف كمي فيمتومتر حقل الميكروويف موجات جاذبية عالية التردد جذر هرتز ألياف بصرية سكويد ليزر تحت الأحمر