← أحدث الأبحاث
⚛️ الفيزياء الكمومية

Quantum-enabled measurement of gravitational forces at the milligram scale

تقدم هذه الورقة تجربة رائدة أُجريت في درجات حرارة الميلي كيلفن نجحت في قياس قوى الجاذبية بين كتل بمقياس المليغرام باستخدام نظام ميكروويف ميكانيكي ضوئي، محققةً تحسناً في الحساسية بمقدار رتبتين عشريتين ومؤسسةً منصة قابلة للتطبيق لاستقصاء التفاعلات الثقالية التي تشمل حالات حركية غير كلاسيكية.

المؤلف الأصلي: Matthew Herbst, Ewa Rej, Joe Depellette, Richa Cutting, Jinhoon Jeong, Mika A. Sillanpää

نُشر 2026-11-09
📖 3 دقيقة قراءة🧠 قراءة متعمّقة

المؤلف الأصلي: Matthew Herbst, Ewa Rej, Joe Depellette, Richa Cutting, Jinhoon Jeong, Mika A. Sillanpää

البحث الأصلي مرخَّص بموجب CC BY 4.0 (http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). ✨ هذا شرح مولَّده بالذكاء الاصطناعي للبحث أدناه. لم يكتبه المؤلف ولم يصادق عليه. وللتحقق من الدقة التقنية، يرجى الرجوع إلى البحث الأصلي. اقرأ إخلاء المسؤولية الكامل

تعد الجاذبية هي القوة التي تبقي أقدامنا على الأرض وتُبقي الكواكب في مداراتها، ومع ذلك فهي أضعف القوى الأساسية التي تحكم الكون. وبينما نفهم كيف تشكل الجاذبية الكون على نطاق واسع، فإن سلوكها في العالم المجهري يظل لغزاً. ويعود ذلك إلى أن قوة الجذب بين الأجسام الصغيرة ضئيلة للغاية لدرجة أنها عادة ما يطغى عليها قوى أخرى أقوى مثل الكهرباء أو المغناطيسية. لعقود من الزمن، كافح العلماء لقياس الجاذبية بين الكتل الصغيرة، ولم يتمكنوا أبداً من القيام بذلك في بيئة تتصرف فيها الأجسام وفقاً للقواعد الغريبة لميكانيكا الكم. إن سد الفجوة بين فيزياء الأجسام الضخمة جداً والأجسام الصغيرة جداً يعد أحد أكبر التحديات في العلم الحديث، ويتطلب القيام بذلك قياس الجذب الثقالي بين أجسام خفيفة بما يكفي لتتأثر بالتأثيرات الكمومية.

لقد اتخذ فريق من الباحثين في جامعة آلتو في فنلندا الآن خطوة مهمة نحو هذا الهدف من خلال النجاح في قياس التجاذب الثقالي بين كرتين ذهبيتين صغيرتين في بيئة شديدة البرودة ومحكومة بدقة. تضمنت التجربة كتلة مصدر تزن 87 مليغراماً وكتلة اختبار تزن 1.3 مليغراماً. ولجعل القياس ممكناً، وضع الباحثون كتلة الاختبار على غشاء رقيق ومرن مصنوع من نتريد السيليكون، والذي عمل مثل طبل صغير. تم تبريد هذا الإعداد بالكامل إلى درجات حرارة قريبة من الصفر المطلق، وهي حالة يتم فيها تقليل الاضطرابات الحرارية إلى أدنى حد، مما يسمح للإشارة الجاذبية الدقيقة بالظهور. كانت كتلة المصدر عبارة عن كرة ذهبية متصلة بعمود مهتز يتحرك صعوداً وهبوطاً بمسافة لا تتجاوز بضعة ميكرومترات فقط. ومع تحرك هذه الكرة، مارست كتلتها المتغيرة قوة جذب ثقالية إيقاعية ضئيلة على كتلة الاختبار، مما تسبب في اهتزاز الغشاء بالتزامن معها.

تطلب اكتشاف هذه الحركة طريقة حساسة للغاية، حيث تم قياس القوة في نطاق "الآتونيوتر" (attonewton)، وهي وحدة صغيرة جداً يصعب استيعابها. استخدم الباحثون تقنية تسمى "الميكانيكا الضوئية الميكروية" (microwave optomechanics)، حيث سلطوا إشارات ميكروية داخل تجويف فائق التوصيل يحتوي على الغشاء. أدى تغير موضع الغشاء المهتز إلى تغيير خصائص هذه الموجات الميكروية، مما سمح للفريق بتتبع حركة الغشاء بدقة مذهلة. ومن خلال عزل التجربة بعناية عن التداخل الكهربائي والاهتزازات، تمكنوا من فصل الإشارة الجاذبية عن الضوضاء الخلفية. أظهرت البيانات أن كتلة الاختبار كانت تستجيب بالفعل لحركة كتلة المصدر بقوة تطابق توقعات قانون نيوتن للجاذبية. وقد أكد الباحثون ذلك من خلال تحريك كتلة المصدر إلى مواقع مختلفة ومراقبة كيفية تغير القوة، ووجدوا أن الجذب يزداد قوة كلما اقتربت الكرتان من بعضهما، تماماً كما هو متوقع في التفاعل الثقالي.

يمثل هذا الإنجاز قفزة كبيرة للأمام في القدرة على قياس الجاذبية عند المقاييس الصغيرة، مما يحسن حساسية التجارب السابقة بمعامل قدره حوالي مائة ضعف. وبينما كانت الكتل المستخدمة لا تزال كبيرة بما يكفي لاعتبارها أجساماً كلاسيكية وليست كمومية، فقد أُجريت التجربة في إعداد مصمم لدعم الحالات الكمومية في نهاية المطاف. أظهر الباحثون أن إعدادهم يمكنه اكتشاف التأثير الثقالي لكتلة تتحرك بمسافة أصغر من عرض شعرة الإنسان. كما استبعدوا الأسباب المحتملة الأخرى للحركة الملحوظة، مثل القوى الكهربائية أو الاهتزازات المنتقلة عبر هيكل الدعم، من خلال إظهار أن الإشارة تظهر فقط عندما تكون الكرتان في وضعية تعظم الجذب الثقالي وتختفي عند تحريكهما بعيداً عن بعضهما.

يفتح نجاح هذه التجربة الباب أمام دراسات مستقبلية حيث يمكن وضع الكتل المعنية في حالات كمومية حقيقية، مثل "التراكب" (superposition)، حيث يوجد الجسم في مكانين في آن واحد. إذا تمكن العلماء في النهاية من قياس الجاذبية بين أجسام في مثل هذه الحالات، فقد يوفر ذلك أول دليل تجريبي على كيفية تفاعل الجاذبية مع ميكانيكا الكم، مما قد يؤدي إلى نظرية موحدة للكون. وفي الوقت الحالي، أثبت الفريق أنه من الممكن قياس قوة الجذب الثقالي بين أجسام بمقياس المليغرام بدقة عالية، محولين تحدياً نظرياً إلى واقع عملي. لا يحل هذا العمل بعد لغز الجاذبية الكمومية، ولكنه يوفر الأدوات والثقة اللازمة لمواصلة البحث عن الإجابة في الأعماق الهادئة والباردة للمختبر.

غارق في أبحاث مجالك؟

تصلك نشرة يومية بأحدث الأبحاث المطابقة لكلماتك البحثية المفتاحية — مع ملخصات تقنية، بلغتك.

جرّب Digest →