ניתן להשתמש בתורת היחסות כדי להסביר אירועים בקנה מידה קוסמי כגון גלי כבידה המתרחשים כאשר חורים שחורים מתנגשים. תורת הקוונטים עובדת היטב לתיאור תופעות בקנה מידה חלקיקים, כגון תנועת אלקטרונים בודדים באטום. עם זאת, עדיין לא ניתן היה לשלב בין השניים באופן משביע רצון לחלוטין. החיפוש אחר "תורת הקוונטים של כוח הכבידה" הוא אחת הבעיות החשובות שהמדע עדיין לא פתר.
הסיבה לכך היא שתחום זה מורכב למדי מבחינה מתמטית. קשה גם לערוך ניסויים מתאימים. כי יש צורך ליצור מצבים שבהם הן התופעות של תורת היחסות (לדוגמה, מרחב-זמן כפוף על ידי מסות כבדות) והן השפעות קוונטיות (לדוגמה, הטבע הכפול של האור שבו יש לו תכונות חלקיקים וגלים) הן חָשׁוּב.
מרחב-זמן מעוקל בסימולטור קוונטים
שיטה חדשה פותחה למטרה זו ב-TU Wien בוינה, אוסטריה. "סימולטור קוונטי" משמש כדי להוות את הבסיס לשאלות כאלה. במקום לחקור ישירות את המערכת הקשורה, כלומר את החלקיקים הקוונטיים במרחב-זמן מעוקל, נוצרת "מערכת מודל" וניתן לקבל מידע על המערכת הקשורה באמצעות אנלוגיה. חוקרים הראו כעת שהסימולטור הקוונטי הזה עובד בצורה מושלמת. אוניברסיטת כרתים, אוניברסיטת נאניאנג לטכנולוגיה ו
פיזיקאים מ-FU Berlin פרסמו את תוצאות שיתוף הפעולה הבינלאומי הזה ב-Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS).
קבלת מידע ממערכת אחת על מערכת אחרת
העיקרון הבסיסי של סימולטור הקוונטי ברור: מערכות פיזיקליות רבות דומות זו לזו. ברמה עמוקה יותר, מערכות אלו עשויות לציית לאותם חוקים ומשוואות. זה יכול להיות סוגים שונים לחלוטין של חלקיקים, או מערכות פיזיקליות בקנה מידה שונה שבמבט ראשון אין קשר ביניהם. כך, מובטח שניתן ללמוד על מערכת אחרת על ידי בחינת מערכת אחרת.
פרופסור למכון האטומי ב-TU Wien. "אנחנו לוקחים מערכת קוונטית בניסויים שאנחנו יודעים שאנחנו יכולים לשלוט ולהתכוונן בצורה טובה מאוד", אמר יורג שמידמאייר. אומר. "במקרה שלנו, מדובר בעננים אטומיים קרים במיוחד המוחזקים ומתופעלים על ידי שבב אטומי עם שדות אלקטרומגנטיים". הוא מוסיף. נניח שהעננים האטומיים האלה מכוונים נכון כך שניתן לתרגם את תכונותיהם למערכת קוונטית אחרת. במקרה זה, ניתן לקבל מידע על מערכת אחרת ממדידה של מערכת מודל ענן אטומי אחד. לדוגמה, מידע על תנודת מטוטלת מתנודת מסה המחוברת לקפיץ מתכת: שתי המערכות הללו נפרדות. ניתן להפוך את אחת המערכות הפיזיות לאחרת.
אפקט עדשת כבידה
"הצלחנו כעת להוכיח שאנו יכולים ליצור אפקטים שניתן להשתמש בהם כדי לדמות את העקמומיות של מרחב-זמן בדרך זו", אמר מוחמדין טאג'יק מהמרכז של וינה למדע וטכנולוגיה קוונטית (VCQ) - TU Wien. אומר. האור מתפשט בחלל לאורך מה שנקרא "חרוט האור". זה שווה למהירות האור. כלומר, האור עובר את אותו המרחק בכל הכיוונים במרווחי זמן שווים. אבל חרוטי האור הללו מתכופפים כאשר האור מושפע ממסה כבדה, כגון כוח המשיכה של השמש. נתיבי אור בזמני מרחב מעוקלים אינם בדיוק ישרים. זה נקרא "אפקט עדשת הכבידה".
עננים אטומיים יכולים כעת להראות את אותו הדבר. במקום מהירות האור, לומדים את מהירות הקול. "יש לנו כעת מערכת שבה יש השפעה התואמת לעקמומיות מרחב-זמן או לעדשת כבידה", אמר מוחמדין טאג'יק. אבל יש גם מערכת קוונטית שאפשר לתאר בעזרת תיאוריות שדות קוונטיים". אומר. "עם זה, יש לנו כלי חדש לגמרי לחקר הקשר בין תורת היחסות לתורת הקוונטים."
מערכת מודל לכבידה קוונטית
ניסויים הראו שצורת חרוטי האור, אפקטים של עדשות, השתקפויות ותופעות אחרות יכולות להיות מיוצגות בעננים אטומיים בדיוק כפי שניתן היה לצפות במערכות קוסמיות רלטיביסטיות. זה לא רק מעניין לייצר נתונים חדשים למחקר תיאורטי בסיסי. יחד עם זאת, פיזיקת המצב המוצק והחיפוש אחר חומרים חדשים מתמודדים עם שאלות בעלות אופי דומה ויכולים לייצר פתרונות באמצעות ניסויים כאלה.
יורג שמידמאייר. "אנחנו רוצים לשלוט בעננים האטומיים האלה כדי לזהות נתונים רחבים יותר. אינטראקציות בין חלקיקים עדיין ניתנות למניפולציה בצורה מאוד ממוקדת." היא אומרת. בדרך זו, הסימולטור הקוונטי יכול לשחזר מצבים פיזיקליים מורכבים מדי עבור אפילו מחשבי-על לחשב.
לפיכך, סימולטור הקוונטי; הוא הופך למקור מידע חדש למחקר קוונטי כמו ניסויים ישירים, חישובים תיאורטיים וסימולציות ממוחשבות. בחקר ענני אטום, צוות המחקר מקווה להיתקל בתופעות חדשות, שעד כה לא היו ידועות לחלוטין, אך מתרחשות גם בקנה מידה קוסמי. ייתכן שתופעות אלו מעולם לא התגלו ללא עזרת חלקיקים זעירים.
מקור: גישור תורת הקוונטים ותורת היחסות: זמן מרחב עקום בסימולטור קוונטי (scitechdaily.com)
הידור: אסרה טשי
Günceleme: 21/05/2023 23:01