تجارب مختبرية للجاذبية الكمومية

الحاسوب الكمومي — جهاز يستخدم البتات الكمومية، أو الكيوبتات، التي يمكن أن تكون في تراكب من الحالات — يعمل عادةً كخط تجميع: العمليات تتوالى واحدة تلو الأخرى، وكل خطأ يتراكم. في العمل الجديد، جرّب الفيزيائيون مسارًا مختلفًا — بنية ينبثق فيها الحساب من عملية القياس نفسها.

وزنان صغيران جدًا، كلٌّ منهما بوزن حبة رمل، معلّقان في الظلام عند درجة حرارة أبرد من الفضاء الخارجي. لا يلمسان بعضهما، لكن بينهما خيطًا غير مرئي — الجاذبية. التجربة التي يبنيها الفيزيائيون الآن تهدف إلى التقاط اللحظة التي يهزّ فيها هذا الخيط أحد الوزنين بسبب حركة الآخر.

الفراغ ليس فارغًا كما يبدو. إذا تحرك راصد بتسارع، فإن الفراغ من حوله يسخن — هذا ما تنبأ به ويليام أونروه في سبعينيات القرن العشرين. التأثير يشبه إشعاع الثقب الأسود، لكن في فضاء مسطح.

مغناطيس بحجم حبة أرز يطفو في الفراغ دون أن يلمس الجدران. يمسكه مجال مغناطيسي من مصيدة فائقة التوصيل — حلقة مبرَّدة إلى حالة تتدفق فيها الكهرباء دون مقاومة. الطفو ضروري لإزالة الاحتكاك: بدونه، حتى دفعة ضعيفة تجعل المغناطيس يتأرجح لفترة طويلة جدًا، مثل شوكة رنانة بعد ضربة.

مبدأ التكافؤ الضعيف، الذي دُرِس ضمنيًا منذ زمن جاليليو ووضع أساس نظرية النسبية العامة، ينص على أن جميع الأجسام تسقط بنفس الطريقة، بغض النظر عن تركيبها الداخلي. تم اختبار التسارع الجاذبي بدقة مذهلة — لا تتجاوز الانحرافات بين الأجسام ذات التركيب المختلف 10⁻¹⁵ من g.

يسقط حجر في بئر، ويصل صوت ارتطامه إلى الأذنين متأخراً. شيء مشابه يحدث للضوء عندما يبتعد عن الأرض: تتضاءل تردداته، ويبدو الشعاع وكأنه «يتعب». هذا هو الانزياح الأحمر الثقالي — الظاهرة التي تحدث عنها أينشتاين قبل مئة عام. الكوكب الضخم يبطئ الزمن نفسه، والضوء يشعر بذلك. الآن قيس هذا التأثير بدقة غير مسبوقة.

شعاع مصباح يدوي في غرفة مظلمة يمكن أن يبقي ذرة غبار شبه ثابتة — هكذا تعمل الملاقط الضوئية. لكن الضوء لا يدفع الجسيم فحسب، بل يهزه أيضًا بركلات عشوائية. كل فوتون ممتص يضربه كمطرقة غير مرئية. ابتكر مؤلفو العمل الجديد فخًا ضوئيًا ذا شكل خاص. إنه يشبه سرجًا دوارًا، ملتويًا من خيطين ضوئيين مختلفين — خيط غاوسي ناعم وخيط دوامي لاغير-غاوسي، بترددات تختلف قليلًا.

كرتان معلقتان بخيوط تتأرجحان جنبًا إلى جنب. كل واحدة تتحرك من تلقاء نفسها، لكن بينهما خيطًا غير مرئي — جاذبية الكتلتين. إذا كانت الجاذبية كمومية، فقد تربطهما معًا في كل واحد: إذا هززت واحدة، تستجيب الأخرى، حتى دون تلامس. كان يُعتقد سابقًا أنه لا يمكن ملاحظة هذا الارتباط إلا بإلقاء الجسيمات في سقوط حر — كما في برج حيث يسقط كل شيء ويستمر انعدام الوزن لثوانٍ.

الساعة ليست مجرد عقارب. فكل نواة ذرية هي بندول إيقاعي طبيعي: تهتز بانتظام شبه مثالي. إذا رُفعت إحدى هذه البندولات الإيقاعية بضعة أمتار، فسيتسارع إيقاعها قليلاً — وهذا هو انحناء الزمن الذي تنبأ به أينشتاين.

غاليليو، حسب الأسطورة، ألقى كرات من برج بيزا ليثبت أن الأجسام الثقيلة والخفيفة تسقط بالتساوي. أصبح هذا القانون أساس نظرية الجاذبية لـأينشتاين. اليوم، حوّل العلماء محطة فضائية كاملة إلى برج مماثل. لكن بدلاً من الكرات الحجرية — سحابتان من ذرات الروبيديوم: نوع من الذرات أخف قليلاً، والآخر أثقل قليلاً.

ميزان زنبركي في حقيبة ظهر الجيولوجي يستجيب بحساسية لكل جبل ومنخفض تحت الأقدام. لكن الزنبرك يتعب، وتنزلق قراءاته — يحتاج الجهاز إلى معايرة متكررة مع معيار مرجعي. أما مقياس الجاذبية الذري فيعرف قوة الجاذبية دون خطأ، لكنه بحجم ثلاجة ولا يحب الاهتزاز.

في مختبر هادئ، على طاولة، يقف جهاز بحجم فرن ميكروويف. داخله، ينزلق ملف بسلاسة صعودًا وهبوطًا، بينما يقرأ حاسوب الإشارات الكهربائية. هكذا تبدو النسخة المكتبية من ميزان كيبل-بليز، وهو جهاز يربط الكتلة بالثوابت الكمومية. سابقًا، كان هذا الميزان يشغل غرفة بأكملها ويتطلب فريقًا من المهندسين. الآن، جمع مهندسون من جامعة تسينغهوا نسخة توضع على طاولة المختبر.

منذ زمن غاليليو غاليلي، كان يُعتقد أن جميع الأجسام في الفراغ تسقط بتسارع متساوٍ، بغض النظر عن كتلتها. وقد رفع ألبرت أينشتاين هذه الملاحظة إلى مبدأ أساسي: فالتفاعل الجاذبي ينتشر بسرعة الضوء الأساسية سرعة الضوء ويمثل انحناء الزمكان انحناء الزمكان — هندسة تحدد حركة المادة.

على خيط رفيع، أرق بمئات المرات من شعرة الإنسان، عُلِّق ثقل بوزن تفاحة صغيرة. الخيط لا يتمزق ولا يكاد يعيق تأرجح الثقل. هذا التصميم هو قلب ميزان مختبري جديد لقياس قوة الجذب. الميزانيات العادية لقياس الجاذبية تعاني من الاهتزاز: فالحرارة تجعل أجزاءها تهتز، وتنخفض الدقة. هنا، الخيط مصنوع من نيتريد السيليكون — وهي مادة تخمد الاهتزازات الزائدة.

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.

في الطبيعة، كل شيء دوري: تكاثرت الأرانب — فكثرت الثعالب — ثم نَفدت الأرانب — فهلكت الثعالب — وتكررت الدورة من جديد. صيغ نموذج «المفترس–الفريسة» قبل قرن من الزمان، وهو يصلح في كل مكان: من الكيمياء إلى الاقتصاد. نقل الفيزيائيون هذه الحبكة إلى المسرح الذري. بنوا شبكة من ذرات الهيدروجين ونفخوها إلى أحجام عملاقة — إلى حالة ريدبرغ، المسماة تيمناً بـيوهانس ريدبرغ.

في عام 2022، لاحظ الفيزيائيون كيف تُزيح الجاذبية طور موجة ذرة مفردة، وهو تأثير أهارونوف-بوم للجاذبية. أصبحت هذه التجربة جزءًا من نقاش طويل: هل يجب تكميم الجاذبية، أم ستبقى خلفية كلاسيكية في العالم الكمومي؟ الطريق المباشر للإجابة هو جعل جسيمين ضخمين يتشابكان فقط بفعل الجاذبية.