قال فريق من علماء الفيزياء إنهم تمكنوا من تجميد حركة الذرات تقريبًا عبر أربع مرايا معلقة. إنه عمل فذ يحير العقل ويجهد التعاريف ذاتها للكلمات التي تبدو بسيطة مثل “الجسم” و “درجة الحرارة”. حتى ربط حزام الأمان.

كان الإعداد لهذه التجربة هو LIGO ، مرصد مقياس التداخل الليزري لموجات الجاذبية ، حيث يبحث الفيزيائيون عن تموجات في الزمكان ناتجة عن اصطدام أجسام ضخمة مثل الثقوب السوداء. يعتمد المرصد على أربع مرايا معلقة بعناية وأشعة ليزر لاكتشاف موجات الجاذبية العابرة ، والتي تحرك المرايا بشكل طفيف للغاية ، مما يتسبب في تذبذب أشعة الليزر لفترة وجيزة. استفاد الباحثون الذين يقفون وراء التجربة الحالية من فترة استراحة في LIGO في سبتمبر الماضي لمحاولة شيء لم يسبق له مثيل من قبل: تبريد جسم على نطاق بشري لدرجة أنه يمكن إجراء ملاحظات كمومية عليه. هم النتائج تم نشرها اليوم في مجلة Science.

يمكنك تبريد الجسم عن طريق وضعه في المجمد ، ولكن عندما تكون فيزيائيًا ، يمكنك أيضًا تبريد الجسم عن طريق تقليل حركته. في بعض الأحيان ، يعني ذلك تطبيق قوة معاكسة – في هذه الحالة ، أشعة الليزر – على الجسم ، من أجل إبطاء حركته العشوائية على النطاق الذري. لحسن الحظ ، LIGO مجهز بالفعل بأشعة الليزر ، لذلك لم يكن الفريق بحاجة للقلق بشأن إفساد الإعداد التجريبي المكلف للغاية.

“يمكننا في الواقع استخدام نفس قدرة LIGO للقيام بهذا الشيء الآخر ، وهو استخدام LIGO لقياس حركة الاهتزاز العشوائية لهذه المرايا – واستخدام تلك المعلومات التي لدينا حول الحركة – وتطبيق قوة معاكسة ، بحيث قال فيفيشك سودهير ، عالم فيزياء الكم في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا ومؤلف مشارك في البحث ، في مكالمة فيديو: “أعلم أنك ستوقف الذرات من الحركة”.

هنا حيث يصبح الأمر غريبًا. لم يقم الفريق بتبريد أي مرآة بالليزر ؛ بدلاً من ذلك ، قاموا بتبريد الحركة الجماعية لجميع المرايا الأربعة إلى 77 نانوكلفن ، أو 77 جزء من المليار من كلفن ، فوق الصفر المطلق. هذه الحركة الجماعية هي ما يسميه الفيزيائيون “موضوعهم” ، على الرغم من أن ذلك لا يتوافق تمامًا مع تعريفك اليومي للكلمة. هذا هو الآن أكبر جسم تم تبريده إلى ما يقرب من الحالة الأرضية الحركية الكمومية – بعبارة أخرى ، الراحة الكاملة على المستوى الذري.

فلماذا يبذلون مثل هذا الجهد؟ إنهم يسعون إلى فهم أفضل لكيفية تفاعل العالم الكلاسيكي – أي الأشياء المألوفة لك وأنا ، مثل الكراسي والقطط – مع النظام الكمومي. للقيام بذلك ، سيكون من المفيد أن يكون لديك نظام كبير يسهل مراقبته (مثل المرايا) يتصرف مثل نظام المقياس الكمي. عادةً ما تتأثر الأشياء ذات الحجم البشري كثيرًا بأشياء مثل قرقرة القطارات المارة والرياح والموجات الصوتية لشخص يتحدث في مكان قريب ، وما إلى ذلك ، للحصول على قياسات دقيقة لقوى طفيفة جدًا. تحت الأرض ومعلق ، LIGO محمي في الغالب من هذه العوامل بالفعل. ولكن لكي يتصرف الفريق كنظام كمي ، فقد احتاج الفريق أيضًا إلى إزالة الضوضاء الناتجة عن الحرارة. تعني درجة حرارة الغرفة أن الهواء ينبض بالطاقة. ولكن كلما كانت الأمور أكثر برودة ، كانت الحركة أقل.

قال ماركوس أسبيلماير ، عالم فيزياء الكم بجامعة فيينا وغير المنتسب إلى الورقة البحثية الأخيرة ، في رسالة بريد إلكتروني: “هذا تحسن مثير للإعجاب مقارنة بنتائجهم السابقة في تبريد هذا الوضع الميكانيكي الهائل لنظام المرآة”. “أتفق مع بيانهم بأن هذا نظام رائع لدراسة تأثيرات فك الترابط على الأجسام فائقة الكتلة في النظام الكمومي.” عن طريق فك الترابط ، Aspelmeyer يعني الطريقة التي تفقد بها الأشياء خصائصها الكمومية.

قال سودهير إن الخطوة التالية للفريق ستكون اختبار تأثير الجاذبية على النظام. لم تُلاحظ الجاذبية مباشرة في عالم الكم ؛ يمكن أن تكون الجاذبية قوة تؤثر فقط على العالم الكلاسيكي. ولكن إذا كان موجودًا في المقاييس الكمومية ، فإن النظام المبرد في LIGO – وهو بالفعل أداة حساسة للغاية – هو مكان رائع للبحث فيه. تعمل الجاذبية بشكل أكثر كثافة على الأجسام الضخمة ، لذا فإن امتلاك مثل هذا الجسم الكبير للعمل معه يعد خطوة كبيرة نحو استكشاف كيف يمكن للقوة أن تتفاعل مع العالم الكمي أو لا.

بالنسبة إلى Sudhir ، جزء مما هو مثير للغاية هو فك قيود هذه القوانين الفيزيائية. “لماذا … أي قانون فيزيائي اكتشفناه جميعًا كبشر على الأرض ينطبق بشكل جيد ، بعيدًا ، في مكان ما في ركن آخر من الكون؟” قال سودهير. “لا يجب أن يكون هذا هو الحال. ومع ذلك فهو كذلك “.

المزيد: فيزيائيون مادة مضادة باردة بالليزر إلى ما يقرب من الصفر المطلق