הצעה לניסוי שיבדוק את אחד החיזויים של תיאוריית הכבידה הקוונטית
26/03/2012

מבוסס על:

 

החיפוש אחר תיאוריה שתאחד את תורת היחסות הכללית עם תורת הקוונטים(מכניקת הקוונטים)הוא אחת הבעיות הגדולות בפיזיקה המודרנית. התיאוריה שתסביר את האיחוד המיוחל נקראת גרביטציה (כבידה) קוונטית.

כידוע, המכאניקה הקוונטית מתארת תופעות ברמה של חלקיקים בודדים, אטומים ומולקולות. המכאניקה הקוונטית יכולה להסביר שלוש מארבע האינטראקציות היסודיות בטבע: הכוח החזק, הכוח החלש והכוח האלקטרומגנטי. תורת היחסות הכללית, לעומתה, מתארת תופעות בקנה מידה של מסות גדולות מאד, ומסבירה את האינטראקציה היסודית הרביעית: כבידה.

הצפי הוא שאיחוד בין שתי התיאוריות הללו יבוא לידי ביטוי בתחום  של אנרגיות, מסות, מרחקים וזמנים הנקרא תחום פלאנק (Planck Scale). תחום זה מתייחס למרחקים הקצרצרים של 1.6*10-35  מטר, ולאנרגיות עצומות של 1.22 × 1019 GeV, שאפילו המאיץ בצרן אינו מסוגל לספק. אנרגיות אלו מקבילות למסה של 2.17645 × 10−8  ק"ג, כמסתו של חלקיק אבק. עבור מסות כאלו הגדולות בהרבה ממסת האטום,  אי אפשר, לרוב, לחזות בתופעות קוונטיות. לכן, הגדלים אליהן מתייחס תחום פלאנק גורמים לבעיות בעריכת ניסויים בתחום זה.

אולם, שיתוף פעולה שנעשה לאחרונה בין חוקרים באוניברסיטה של וינה ובין חוקרים בקולג' של לונדון מציע כעת ניסוי שיכול לבחון ניבויים מסוימים של הגרביטציה הקוונטית. הממצאים פורסמו החודש (מרץ) בכתב העת היוקרתי Nature Physics.

לפי מכניקת הקוונטים, לא ניתן לדעת את מיקומו של חלקיק ואת מהירותו באותו הזמן. אבל ניתן לערוך שתי מדידות עוקבות: מדידת מיקומו של חלקיק ולאחריה מדידת התנע שלו (תנע = מסה כפול מהירות), או להיפך. לפי מכניקת הקוונטים, מדידת המיקום ולאחריה מדידת התנע תיתן תוצאות שונות מאלו שיתנו מדידת התנע ולאחריה מדידת מיקום. לפי חלק מהתיאוריות של כבידה קוונטית, תתקבלנה תוצאות שונות, גם כן. אבל, התוצאות שיתקבלו לפי תיאורית הכבידה הקוונטית תהיינה שונות מאלו שמנבאת הגרסה הנוכחית המכניקה הקוונטית. לפי מכניקת הקוונטים ההבדל בין המדידות יהיה תלוי בקבוע פלאנק ħ, ואילו לפי הכבידה הקוונטית ההבדל בין המדידות יהיה תלוי גם במסת הגוף.  

המדענים הראו, שלמרות שההבדלים בין הניבויים של המכניקה הקוונטית לבין אלו של הגרביטציה הקוונטית קטנים מאד, הם יכולים להיות מאומתים כאשר משתמשים במערכות קוונטיות מסיביות מאד.

הרעיון המרכזי העומד בבסיס הניסוי, הוא להשתמש בפולס של לייזר שיוצר ארבע פעמים אינטראקציה עם מראה נעה, כדי לבדוק במדויק את ההבדל בתוצאות המתקבלות עבור מדידת המיקום ולאחריו מדידת התנע, לבין התוצאות המתקבלות עבור מדידת התנע ולאחריה מדידת המיקום. על ידי מיפוי מדויק של הזמנים ושל האינטראקציות, הראו הצוותים שניתן למדוד את התוצאות. אם התוצאות שתתקבלנה לא יתאימו לחיזוי של תורת הקוונטים, הרי שיתכן שיתקבל כאן אישור ניסיוני לנכונותה של אחת מהתחזיות של הכבידה הקוונטית.