Kuantum Parçacıkları Yerçekimi Alanlarının Etkisini Hissedebilir

Bilim insanları, Aharonov-Bohm etkisinin yerçekimi için de geçerli olduğunu ortaya koyuyor

Genel görelilik teorisine göre, yerçekimi, uzay-zamanı büken devasa nesnelerden kaynaklanır. Kuantum etkisi, atom altı parçacıkların yerçekimi kuvvetlerine maruz kalmasalar bile bu bükülmenin etkisini hissedebileceklerini ortaya koyuyor.

Kuantum fiziğinde parçacıklar, hiçbir zaman doğrudan temasa geçmedikleri manyetik alanların etkisini hissedebilirler. Şimdi bilim insanları, bu ürkütücü kuantum etkisinin sadece manyetik alanlar için değil, yerçekimi için de geçerli olduğunu gösterdi.

Genellikle, bir manyetik alanın etkisini hissetmek için bir parçacığın içinden geçmesi gerekir. Ancak 1959'da fizikçiler Yakir Aharonov ve David Bohm, belirli bir senaryoda bu geleneksel bilginin başarısız olacağını tahmin ettiler. Silindirik bir bölge içinde bulunan bir manyetik alan, silindire asla girmeyen parçacıkları, örneğin elektronları etkileyebilir. Bu senaryoda, elektronların iyi tanımlanmış konumları yoktur, ancak süperpozisyondadırlar.Bu, bir parçacığın iki farklı yerde gerçekleşmesi olasılığıyla tanımlanan kuantum halidir. Her parçacık aynı anda manyetik silindirin etrafında iki farklı yol alır. Elektronlara hiç dokunmamasına ve dolayısıyla onlara hiçbir kuvvet uygulamamasına rağmen, çeşitli deneylerin de doğruladığı gibi, manyetik alan bu yolculuğun sonunda parçacıkların bulunduğu yerin modelini değiştirir.

Fizikçilerin Science dergisinde bildirdiğine göre, aynı esrarengiz durum fizik yerçekimi alanları için de geçerli. Stanford Üniversitesi'nden fizikçi Mark Kasevich, "Bu deneye her baktığımda, 'Doğanın bu şekilde olması inanılmaz' diyorum” dedi.

Kasevich ve meslektaşları, 10 metre yüksekliğindeki bir vakum odasının içine rubidyum atomlarını fırlattı, onları iki farklı yol izleyen kuantum süperpozisyonlarına sokmak için lazerlerle vurdu ve atomların nasıl düştüğünü izledi. Özellikle, parçacıklar yerçekimi alanından bağımsız bir bölgede değildi. Bunun yerine deney, araştırmacıların ürkütücü Aharonov-Bohm etkisini açığa çıkararak yerçekimi kuvvetlerinin etkilerini filtreleyebilmeleri için tasarlandı.

Çalışma sadece yeni bir bağlamda ünlü bir fizik etkisini ortaya çıkarmakla kalmıyor, aynı zamanda yerçekimi sistemlerindeki ince etkileri inceleme potansiyelini de ortaya koyuyor. Örneğin araştırmacılar, Newton'un yerçekiminin gücünü ortaya çıkaran ve şu anda diğer temel doğa sabitlerinden daha az kesin olarak bilinen yerçekimi sabiti G'yi daha iyi ölçmek için bu tür bir tekniği kullanmayı hedefliyorlar.

Girişim adı verilen bir fenomen bu deneyin anahtarıdır. Kuantum fiziğinde, atomlar ve diğer parçacıklar, tıpkı okyanusta birleşen iki dalganın daha büyük bir dalga oluşturması gibi davranır. Atomların uçuşunun sonunda, bilim insanları atomların yolunu yeniden birleştirdi, böylece dalgaları karışacaktı ve sonra atomların geldiği yeri ölçtüler. Varış yerleri, faz kaymaları olarak bilinen dalgaların tepe ve dip noktalarının nereye indiğini değiştiren ince ayarlara karşı oldukça hassastı.

Araştırmacılar, vakum odasının tepesine, kütlesi 1,25 kilogram olan bir parça tungsten yerleştirdiler. Aharonov-Bohm etkisini izole etmek için, bilim insanları aynı deneyi bu kütle ile ve bu kütle olmadan ve biri kütleye yakın, diğeri daha düşük olan iki farklı fırlatılmış atom grubu de için gerçekleştirdiler. Bu iki atom kümesinin her biri, bir yol kütleye diğerinden daha yakın hareket ederek, yaklaşık 25 santimetre ayrılmış şekilde süperpozisyonlara ayrıldı. Daha küçük mesafelere bölünmüş süperpozisyonlara sahip diğer atom kümeleri, yolculuğu tamamladı. Hem tungsten kütlesiyle hem de tungsten kütlesi olmadan çeşitli atom kümelerinin nasıl değiştiğini karşılaştırmak, yerçekimi kuvvetine bağlı olmayan bir faz kaymasını ortaya çıkardı. Bunun yerine, bu ince ayar, Einstein'ın yerçekimi teorisinin, genel görelilik teorisinin bir özelliği olan zaman genişlemesinden kaynaklanıyordu ve bu da zamanın büyük bir nesnenin yakınında daha yavaş geçmesine neden oluyordu.

Bu deneyin altında yatan iki teori, genel görelilik ve kuantum mekaniği birlikte iyi çalışmıyor. Bilim adamları, gerçekliği tanımlamak için onları nasıl birleştireceklerini bilmiyorlar. Bu nedenle, yeni çalışmaya dahil olmayan Floransa Üniversitesi'nden Guglielmo Tino, fizikçiler için "yerçekimini bir kuantum sensörüyle araştırmak, bence bu gerçekten şu anda fizik adına en önemli zorluklardan biri" diyor.