إن حركة الأجسام المتساقطة مستقلة عن تركيبها. وهذا هو أحد أسس مبدأ التكافؤ لأينشتاين (EEP)، والذي يدعم فهمنا الحديث للجاذبية. لكن هذا المبدأ يخضع للتدقيق المستمر. وأي انتهاك لها من شأنه أن يعطينا تلميحات في بحثنا عن الطاقة المظلمة والمادة المظلمة، بينما يوجه أيضًا فهمنا للثقوب السوداء والأنظمة الأخرى حيث تلتقي الجاذبية وميكانيكا الكم.

أنشأ علماء من الولايات المتحدة وفرنسا وألمانيا الآن نظامًا جديدًا لاختبار EEP: مزيج من غازين كميين فائقي البرودة يدور حول الأرض على متن محطة الفضاء الدولية (ISS). كما أظهروا أيضًا أول مقياس تداخل ذري مزدوج النوع في الفضاء، والذي وصفوه بأنه "خطوة مهمة" نحو اختبار EEP. والسؤال الذي يهدفون إلى الإجابة عليه من خلال هذه التجربة بسيط: هل تسقط ذرتان لهما كتلتان مختلفتان بنفس المعدل؟

الذرات الباردة في محطة الفضاء الدولية

محطة الفضاء الدولية هي موطن ل مختبر الذرة الباردة (CAL)، وهو “ملعب” للذرات في الفضاء. تم إطلاقه في عام 2018، وفي عام 2020 تم إنشاء أول مكثف بوز-آينشتاين (BEC) محمول في الفضاء - وهي حالة خاصة من المادة يتم تحقيقها بعد تبريد الذرات إلى درجات حرارة أعلى بقليل من الصفر المطلق. يتكون هذا الغاز الكمي الأول من ذرات الروبيديوم فائقة البرودة، ولكن بعد الترقية في عام 2021، يستضيف CAL أيضًا مصدر موجات ميكروويف لصنع غازات كمومية من ذرات البوتاسيوم.

في أحدث عمل ، والذي تم وصفه في الطبيعة، قام علماء CAL بتوليد خليط كمي من كلا النوعين على محطة الفضاء الدولية. يقول: "يعد توليد هذا الخليط الكمي في الفضاء خطوة مهمة نحو تطوير قياسات عالية الدقة لاختبار مبدأ التكافؤ الخاص بأينشتاين". غابرييل مولر، طالب دكتوراه في جامعة لايبنيز في هانوفر بألمانيا، وأحد المشاركين في التجربة.

لتحقيق هذا الخليط، قام الفريق بحصر ذرات الروبيديوم في مصيدة مغناطيسية، ثم سمح للذرات "الساخنة" الأكثر نشاطًا بالتبخر خارج المصيدة، تاركًا الذرات "الباردة" خلفها. يؤدي هذا في النهاية إلى انتقال طوري إلى غاز كمي بمجرد انخفاض الذرات إلى ما دون درجة حرارة حرجة معينة.

في حين أن هذه العملية تعمل أيضًا مع ذرات البوتاسيوم، إلا أن تبخير كلا النوعين في نفس المصيدة ليس بالأمر السهل. نظرًا لاختلاف بنية الطاقة الداخلية لذرات الروبيديوم والبوتاسيوم، فإن درجات الحرارة الأولية لهما في المصيدة تختلف، وكذلك تختلف الظروف المثلى للمصيدة ووقت التبخر اللازم للوصول إلى درجة الحرارة الحرجة. ونتيجة لذلك، كان على العلماء أن يلجأوا إلى حل مختلف. يشرح مولر قائلاً: "لا يتم توليد غاز البوتاسيوم الكمومي عبر التبريد التبخيري، بل يتم تبريده بشكل متعاطف عبر الاتصال الحراري المباشر مع غاز الروبيديوم المتبخر فائق البرودة".

ويضيف أن توليد هذا الغاز الكمي في الفضاء له مزاياه. "على الأرض، هناك تراجع في الجاذبية، مما يعني أن ذرتين من كتل مختلفة لن تكونا في نفس الموقع في الفخ. أما في الفضاء، فإن تفاعل الجاذبية ضعيف، والنوعان متداخلان». يعد هذا الجانب من العمل في الجاذبية الصغرى ضروريًا لإجراء تجارب تهدف إلى مراقبة التفاعلات بين النوعين والتي لولا ذلك لاختطفتها تأثيرات الجاذبية على الأرض.

الدور الحاسم لهندسة الحالة الكمومية

إن إنتاج خليط كمي من ذرات الروبيديوم والبوتاسيوم يجعل فريق CAL يقترب خطوة من اختبار EEP، لكن العناصر الأخرى من التجربة لا تزال بحاجة إلى الترويض. على سبيل المثال، على الرغم من تداخل النوعين في المصيدة، إلا أنه عندما يتم تحريرهما منه، تكون مواقعهما الأولية مختلفة قليلاً. يوضح مولر أن هذا يرجع جزئيًا إلى خصائص كل نوع من الذرات التي تؤدي إلى ديناميكيات مختلفة، ولكنه يرجع أيضًا إلى أن إطلاق المصيدة لا يكون لحظيًا، مما يعني أن أحد الأنواع يواجه قوة مغناطيسية متبقية بالنسبة للآخر. يمكن لمثل هذه التأثيرات المنهجية أن تقدم نفسها بسهولة على أنها انتهاك لسياسة EEP إذا لم يتم الاعتناء بها بشكل صحيح.

ولهذا السبب، حول العلماء انتباههم نحو توصيف نظامية فخهم وتقليل الضوضاء غير المرغوب فيها. يقول مولر: "هذا هو العمل الذي يتم تنفيذه بنشاط في هانوفر، لإنشاء حالات مدخلات جيدة التصميم لكلا النوعين، وهو أمر بالغ الأهمية لأنك تحتاج إلى ظروف أولية مماثلة قبل بدء مقياس التداخل". ويضيف أن أحد الحلول لمشكلة الموضع الأولي هو نقل كلا النوعين ببطء إلى موضع واحد قبل إيقاف تشغيل المصيدة المغناطيسية. وبينما يمكن القيام بذلك بدقة عالية، إلا أنه يأتي على حساب تسخين الذرات وفقدان بعضها. ولذلك يأمل العلماء في استخدام التعلم الآلي لتحسين آلية النقل وبالتالي تحقيق تحكم مماثل في الديناميكيات الذرية، ولكن بشكل أسرع بكثير.

مقياس التداخل الذري ثنائي النوع في الفضاء

بمجرد حل هذه المشكلات، ستكون الخطوة التالية هي إجراء اختبار EEP باستخدام قياس التداخل الذري ثنائي النوع. يتضمن ذلك استخدام نبضات ضوئية لإنشاء تراكب متماسك للسحابتين الذريتين شديدتي البرودة، ثم إعادة دمجهما والسماح لهما بالتداخل بعد وقت تطور حر معين. يحتوي نمط التداخل على معلومات قيمة حول تسارع الخليط، والتي يمكن للعلماء من خلالها استخلاص ما إذا كان كلا النوعين قد تعرضا لنفس تسارع الجاذبية.

أحد العوامل المقيدة في هذه التقنية هو مدى تداخل مواضع شعاع الليزر والعينة الذرية. ويؤكد مولر أن "هذا هو الجزء الأكثر صعوبة". إحدى المشاكل هي أن الاهتزازات في محطة الفضاء الدولية تتسبب في اهتزاز نظام الليزر، مما يؤدي إلى إدخال ضوضاء الطور إلى النظام. هناك مشكلة أخرى وهي أن اختلاف بنية مستوى الكتلة والطاقة الذرية لكلا النوعين يؤدي إلى الاستجابة بشكل مختلف للضوضاء الاهتزازية، مما يؤدي إلى إزالة الطور بين مقياسي التداخل الذري.

في أحدث عمل، أظهر العلماء قياس التداخل الذري المتزامن للخليط وقاسوا المرحلة النسبية بين نمط التداخل لذرات الروبيديوم والبوتاسيوم. ومع ذلك، فهم يدركون جيدًا أن مثل هذه المرحلة من المحتمل أن تكون بسبب مصادر الضوضاء التي يتعاملون معها، وليس بسبب انتهاك سياسة ممارسات العمل.

البعثات المستقبلية

تم إطلاق وحدة علمية جديدة إلى محطة الفضاء الدولية بهدف زيادة العدد الذري، وتحسين مصادر الليزر وتنفيذ خوارزميات جديدة في التسلسل التجريبي. ومع ذلك، يسعى علماء CAL بشكل أساسي إلى إظهار قياس الدقة بالقصور الذاتي بما يتجاوز الحالة الفنية الحالية. يقول هانوفر: "إن مثل هذه الإنجازات تمثل معالم مهمة نحو مهمات الأقمار الصناعية المستقبلية التي تختبر عالمية السقوط الحر إلى مستويات غير مسبوقة". ناصر جعلول، مؤلف مشارك في الورقة الأخيرة.

أحد الأمثلة التي ذكرها جعلول هو اقتراح STE-QUEST (مستكشف الزمكان واختبار الفضاء لمبدأ التكافؤ الكمي)، والذي سيكون حساسًا للاختلافات في التسارع التي تصل إلى 10^-17 الآنسة². هذه الدقة تعادل إسقاط تفاحة وبرتقالة وقياس الفرق بين موضعهما داخل نصف قطر البروتون بعد ثانية واحدة. من المعروف أن الفضاء صعب، لكن قياس التداخل الذري في الفضاء أصعب.

• محتوى مدعوم من تحسين محركات البحث وتوزيع العلاقات العامة. تضخيم اليوم.
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai. تمكين نفسك. الوصول هنا.
• أفلاطونايستريم. ذكاء Web3. تضخيم المعرفة. الوصول هنا.
• أفلاطون كربون، كلينتك ، الطاقة، بيئة، شمسي، إدارة المخلفات. الوصول هنا.
• أفلاطون هيلث. التكنولوجيا الحيوية وذكاء التجارب السريرية. الوصول هنا.
• المصدر https://physicsworld.com/a/space-borne-atoms-herald-new-tests-of-einsteins-equivalence-principle/