Ανιχνεύθηκαν κβαντικά φαινόμενα στο πεδίο βαρύτητας

Από σελίδα του NewScientist και Nature, 16 Ιανουαρίου 2002

Η μικροσκοπική επιρροή της βαρύτητας στον κβαντικό κόσμο παρατηρήθηκε άμεσα για πρώτη φορά. Ένα νέο πείραμα θεωρείται το πρώτο βήμα για τη σύνδεση της Κβαντομηχανικής με την υπόλοιπη Θεωρητική Φυσική.

Ενώ η κβαντική φυσική περιγράφει τα μικροσκοπικά αντικείμενα, σε πολύ μικρές αποστάσεις. Το μεγάλο πρόβλημα είναι πως η μαθηματική περιγραφή της κβαντομηχανικής είναι ασύμβατη με αυτή της σχετικότητας (πολύ μεγάλες κλίμακες και ταχύτητες) και την κλασσική φυσική (καθημερινά φαινόμενα με ενδιάμεσες μάζες και ταχύτητες). Γι' αυτό θεωρείται μεγάλη επιτυχία η πρόσφατη ανακοίνωση για παρατήρηση κβαντικών φαινομένων στη βαρύτητα.

Στις μικροσκοπικές κλίμακες, η φύση κάνει τα σωματίδια να συμπεριφερθούν σύμφωνα με περίεργα άκαμπτους κανόνες. Παραδείγματος χάριν, αρνητικά φορτισμένα ηλεκτρόνια που παγιδεύονται γύρω από έναν θετικό πυρήνα κάτω από την έλξη της ηλεκτρομαγνητικής δύναμης, δεν μπορούν να έχουν οποιαδήποτε ενέργεια θέλουν - πρέπει να βρίσκονται μέσα σε ένα σύνολο ευδιάκριτων ενεργειακών σταθμών.

Με τον ίδιο τρόπο, η ώθηση της βαρύτητας πρέπει να κάνει τα σωματίδια να βρίσκονται σε ορισμένες ενεργειακές  στάθμες. Αλλά επειδή η βαρύτητα είναι εξαιρετικά ασθενής στις μικρές κλίμακες, το φαινόμενο αυτό είναι αδύνατο να σημειωθεί. "Για να είστε σε θέση να το μετρήσετε, χρειάζεστε να απομακρύνετε κάθε επίδραση από όλα τα άλλα πεδία," λέει ο Valery Nesvizhevsky του Ιδρύματος Laue-Langevin στην Γκρενόμπλ της Γαλλίας.

Τώρα ο Nesvizhevsky και οι συνάδελφοί του έχουν επιτύχει αυτό τον άθλο, χρησιμοποιώντας μια ακτίνα νετρονίων. Τα νετρόνια ήταν ιδανικά επειδή είναι ουδέτερα, έτσι δεν αισθάνονται την ηλεκτρομαγνητική δύναμη και μπορούν να αγνοήσουν τους κβαντικούς κανόνες του.

Οι εμπειρογνώμονες λένε ότι είναι ένα πειστικό αποτέλεσμα από ένα εξαιρετικά δυσνόητο πείραμα. "Η δυσκολία αυτής της μέτρησης δεν πρέπει να υποτιμηθεί," λέει ο Thomas Bowles του Εθνικού Εργαστηρίου στο Los Alamos στο Νέο Μεχικό. "Στην κβαντική σφαίρα, η βαρυτική δύναμη είναι τόσο ασθενής που είναι δύσκολο να παρατηρηθούν τα κβαντικά αποτελέσματα."

Νετρόνια που αναπηδούν

Δεξιά, Η διάταξη του πειράματος: Το ύψος του απορροφητήρα πάνω από τον καθρέπτη περιορίζει την συνιστώσα της κατακόρυφης ταχύτητας των νετρονίων, που διαδίδονται μεταξύ των δύο.

Η ομάδα του Nesvizhevsky πήρε μια ακτίνα υπέρψυχρων νετρονίων με μικροσκοπικές ενέργειες, κινούμενα από αριστερά προς τα δεξιά, σε λιγότερο από οκτώ μέτρα ανά δευτερόλεπτο. Κάτω από τη δύναμη της βαρύτητας, τα νετρόνια έπεσαν επάνω σε έναν ανακλαστικό καθρέφτη και αναπήδησαν από αυτόν πρίν φθάσουν σε έναν ανιχνευτή.

Η ομάδα θα μπορούσε επίσης, να περιορίσει τις ενέργειες των νετρονίων που φθάνουν στον ανιχνευτή με την τοποθέτηση ενός απορροφητικού υλικού σε διαφορετικά ύψη επάνω από τον καθρέφτη. Το υλικό εκκαθάρισε όλα τα νετρόνια που αναπήδησαν πάρα πολύ υψηλά.

Ξεχνώντας την κβαντομηχανική, θα αναμένατε ότι τα νετρόνια με οποιαδήποτε κινητική ενέργεια κι αν είχαν, να φθάσουν στον ανιχνευτή. Αλλά κανένα νετρόνιο δεν εμφανίστηκε εκτός κι αν το απορροφητικό υλικό των νετρονίων δεν ήταν τουλάχιστον 15 μm πάνω από τον καθρέφτη. Αυτό σημαίνει ότι τα νετρόνια πρέπει να έχουν μια ορισμένη, ελάχιστη ενέργεια (ίση με 1.41 Χ 10 ^-12 eV ή 1.41 peV) στο γήινο πεδίο βαρύτητας ή με άλλα λόγια κανένα ηλεκτρόνιο δεν είχε ταχύτητα μικρότερη από 1.7 cm/sec., αποτέλεσμα που συμφωνεί με τις προβλέψεις της κβαντομηχανικής.

Το φαινόμενο αυτό δεν είχε παρατηρηθεί μέχρι σήμερα επειδή οι ταχύτητες που έχουν διάφορα σωματίδια γύρω μας, όπως τα μόρια της ατμόσφαιρας, είναι γύρω στο 1km/s.

Ο Nesvizhevsky λέει ότι η τεχνολογία είναι συναρπαστική επειδή αυτή θα μπορεί να εξετάσει μερικές άλλες βασικές ιδέες στη φυσική - παραδείγματος χάριν, εάν το νετρόνιο φέρνει ή όχι κάποιο μικροσκοπικό ποσό ηλεκτρικού φορτίου. "Εάν υπάρχει φορτίο στο νετρόνιο, θα είναι πολύ, πολύ μικρό", συνεχίζει ο Nesvizhevsky.

Θα μπορούσε επίσης να βάλει σε δοκιμή την αρχή ισοδυναμίας, μια διάσημη έννοια του Einstein. Αυτή λέει ότι όλα τα σωματίδια, ανεξάρτητα από τη μάζα ή τη σύνθεσή τους, πρέπει να πέσουν με την ίδια επιτάχυνση σε ένα ομοιόμορφο βαρυτικό πεδίο.