פיזיקאים באוניברסיטת ברקלי שיקמו צבירים קטנים של אטומי צסיום (כתמים ורודים) בתא ואקום אנכי, ואז פיצלו כל אטום למצב קוונטי שבו חצי מהאטום היה קרוב יותר למשקל טונגסטן (גליל מבריק) מהחצי השני (מפוצל) כדורים מתחת לטונגסטן). על ידי מדידת הפרש הפאזות בין שני החצאים של פונקציית הגל האטומי, הם הצליחו לחשב את ההבדל במשיכה הכבידה בין שני חלקי האטום, שתאם את הצפוי מכוח הכבידה הניוטוני. קרדיט: כריסטיאן פנדה/UC ברקלי
הניסוי לוכד אטומים בנפילה חופשית כדי לחפש חריגות כבידה הנגרמות על ידי האנרגיה החסרה של היקום.
חוקרים מאוניברסיטת ברקלי שיפרו את הדיוק של ניסויי כבידה באמצעות א אָטוֹם אינטרפרומטר בשילוב עם סריג אופטי, המאריך באופן משמעותי את הזמן שניתן להחזיק אטומים בנפילה חופשית. למרות שעדיין לא נמצאו סטיות מכוח המשיכה של ניוטון, התקדמות אלו עשויות לחשוף היבטים קוונטיים חדשים של כוח הכבידה ולבחון תיאוריות לגבי חלקיקים אקזוטיים כמו זיקיות או סימטרונים.
לפני 26 שנים גילו פיזיקאים אנרגיה אפלה – כוח מסתורי שדוחף את היקום זה מזה בקצב הולך וגובר. מאז, מדענים חיפשו חלקיק חדש ואקזוטי שגורם להתרחבות.
דוחף את גבולות החיפוש הזה, אוניברסיטת קליפורניה, ברקלי פיזיקאים בנו כעת את הניסוי המדויק ביותר עד כה כדי לחפש סטיות מינוריות מתורת הכבידה המקובלת שיכולות להוות עדות לחלקיק כזה, שתיאורטיקנים כינו אותו זיקית או סימטרון.
הניסוי, המשלב בין אינטרפרומטר אטומים למדידות כבידה מדויקות עם סריג אופטי שיחזיק את האטומים במקומם, איפשר לחוקרים לשתק אטומים נופלים חופשית למשך שניות במקום אלפיות שניות כדי לחפש השפעות כבידה, מה שהעלה את המדידה המדויקת ביותר הנוכחית על ידי פקטור חמישה.
הזוהר הסגול של לייזר אינפרא אדום מאיר את הספסל האופטי ששימש בניסוי. הלייזר משמש לשליטה מדויקת במצבים הקוונטיים של אטומי צזיום בתא ואקום. קרדיט: מעבדת הולגר מולר
חקר הטבע הקוונטי של כוח הכבידה
אף על פי שהחוקרים לא מצאו סטייה ממה שנחזה על ידי התיאוריה שנכתבה על ידי אייזק ניוטון לפני 400 שנה, שיפורים צפויים בדיוק של הניסוי יכולים בסופו של דבר להעלות ראיות התומכות או מפריכות תיאוריות של כוח חמישי היפותטי המתווך על ידי זיקיות או סימטרונים .
היכולת של אינטרפרומטר אטומי הסריג להחזיק אטומים עד 70 שניות – ואולי פי 10 יותר – פותחת גם את האפשרות לחקור את כוח הכבידה ברמה הקוונטית, אמר הולגר מולר, פרופסור לפיזיקה באוניברסיטת ברקלי באוניברסיטת ברקלי. בעוד שלפיזיקאים יש תיאוריות בדוקות המתארות את הטבע הקוונטי של שלושה מארבעת כוחות הטבע – אלקטרומגנטיות והכוחות החזקים והחלשים – הטבע הקוונטי של כוח הכבידה מעולם לא הוכח.
"רוב התיאורטיקנים כנראה מסכימים שכוח המשיכה הוא קוונטי. אבל אף אחד מעולם לא ראה חתימה ניסיונית לכך", אמר מולר. "קשה מאוד אפילו לדעת אם כוח הכבידה הוא קוונטי, אבל אם היינו יכולים להחזיק את האטומים שלנו פי 20 או 30 יותר מכל אחד אחר, מכיוון שהרגישות שלנו עולה עם החזק השני או הרביעי של זמן ההחזקה, יכולנו להיות לנו 400 עד 800,000 סיכוי גדול פי שניים למצוא הוכחה ניסיונית לכך שכוח הכבידה הוא אכן מכאני קוונטים."
סריג אופטי לוכד קבוצות של אטומים (דיסקות כחולות) במערך רגיל כך שניתן לחקור אותם במשך יותר מדקה בתוך אינטרפרומטר אטום סריג. אטומים בודדים (נקודות כחולות) ממוקמים בסופרפוזיציה מרחבית קוונטית, כלומר בשתי שכבות של הסריג בבת אחת, המצוינות על ידי הרצועות הצהובות המוארכות. קרדיט: שרה דייויס
יישומים וכיוונים עתידיים בחישה קוונטית
מלבד מדידות דיוק של כוח המשיכה, יישומים אחרים של אינטרפרומטר אטומי הסריג כוללים חישה קוונטית.
"אינטרפרומטריית אטומים רגישה במיוחד לכוח הכבידה או להשפעות אינרציאליות. אתה יכול לבנות ג'ירוסקופים ומדדי תאוצה", אמר כריסטיאן פנדה, עמית פוסט-דוקטורט מאוניברסיטת UC ברקלי, שהוא המחבר הראשון של מאמר על מדידות הכבידה שיתפרסמו השבוע בכתב העת טֶבַע והוא נכתב בשיתוף מולר. "אבל זה נותן כיוון חדש באינטרפרומטריה של האטומים, שבו ניתן לבצע חישה קוונטית של כוח המשיכה, האצה והסיבוב עם אטומים המוחזקים בסריגים אופטיים באריזה קומפקטית שעמידה בפני פגמים סביבתיים או רעשים."
מכיוון שהסריג האופטי מחזיק אטומים בצורה נוקשה במקומם, האינטרפרומטר של אטומי הסריג יכול אפילו לפעול בים, שם משתמשים במדידות כבידה רגישות כדי למפות את הגיאולוגיה של קרקעית האוקיינוס.
תובנות לגבי אנרגיה אפלה וחלקיק הזיקית
אנרגיה אפלה התגלתה בשנת 1998 על ידי שני צוותים של מדענים: קבוצת פיזיקאים שבסיסה במעבדה הלאומית של לורנס ברקלי, בראשות סול פרלמוטר, כיום פרופסור לפיזיקה באוניברסיטת ברקלי, וקבוצת אסטרונומים שכללה את עמית פוסט-דוקטורט מאוניברסיטת ברקלי, אדם ריס. השניים חלקו את פרס נובל לפיזיקה לשנת 2011 על התגלית.
ההבנה שהיקום מתרחב מהר יותר ממה שהוא אמור, באה בעקבות מעקב אחר סופרנובות רחוקות ושימוש בהן למדידת מרחקים קוסמיים. למרות ספקולציות רבות של תיאורטיקנים לגבי מה שבעצם מרחיק את החלל, אנרגיה אפלה נשארת חידה – חידה גדולה, שכן כ-70% מכל החומר והאנרגיה של היקום הם בצורה של אנרגיה אפלה.
בתצלום זה ניתן לראות מקבצים של כ-10,000 אטומי צסיום צפים בתא ואקום, מרחפים על ידי קרני לייזר מוצלבות היוצרות סריג אופטי יציב. משקל טונגסטן גלילי ותמיכתו נראים בחלק העליון. קרדיט: כריסטיאן פנדה, UC ברקלי
תיאוריה אחת היא שאנרגיה אפלה היא רק אנרגיית הוואקום של החלל. אחר הוא שזהו שדה אנרגיה הנקרא קווינטסנס, המשתנה לאורך זמן ומרחב.
הצעה נוספת היא שאנרגיה אפלה היא כוח חמישי חלש בהרבה מכוח הכבידה ומתווך על ידי חלקיק המפעיל כוח דוחה המשתנה בהתאם לצפיפות החומר הסובב. בריק של החלל, הוא היה מפעיל כוח דוחה למרחקים ארוכים, מסוגל לדחוק את החלל. במעבדה על כדור הארץ, עם חומר מסביב כדי להגן עליו, לחלקיק יהיה טווח קטן ביותר.
החלקיק הזה זכה לכינוי זיקית, כאילו הוא מסתתר לעין.
התקדמות בטכניקות אינטרפרומטריית אטומים
בשנת 2015, מולר התאים אינטרפרומטר אטום כדי לחפש עדויות לזיקיות באמצעות אטומי צסיום ששוגרו לתוך תא ואקום, המחקה את ריקנות החלל. במהלך 10 עד 20 מילישניות שלקח לאטומים להתרומם ולרדת מעל כדור אלומיניום כבד, הוא וצוותו לא זיהו שום סטייה ממה שהיה צפוי ממשיכה הכבידה הרגילה של הכדור וכדור הארץ.
המפתח לשימוש באטומים נופלים חופשיים לבדיקת כוח הכבידה הוא היכולת לעורר כל אטום לסופרפוזיציה קוונטית של שני מצבים, שלכל אחד מהם תנע מעט שונה הנושא אותם מרחקים שונים ממשקל טונגסטן כבד התלוי מעל ראשו. המומנטום הגבוה יותר, מצב גובה גבוה יותר חווה יותר משיכה כבידה לטונגסטן, ומשנה את הפאזה שלו. כאשר פונקציית הגל של האטום קורסת, הפרש הפאזות בין שני חלקי גל החומר חושף את ההבדל במשיכה הכבידה ביניהם.
"אינטרפרומטריית אטומים היא האומנות והמדע של שימוש בתכונות הקוונטיות של חלקיק, כלומר, העובדה שהוא גם חלקיק וגם גל. אנחנו מפצלים את הגל כך שהחלקיק לוקח שני נתיבים בו זמנית ואז מפריעים להם בסוף", אמר מולר. "הגלים יכולים להיות בשלב ולהצטבר, או שהגלים יכולים להיות מחוץ לפאזה ולבטל זה את זה. החוכמה היא שהאם הם בשלב או מחוץ לפאזה תלוי ברגישות רבה בכמה כמויות שאולי תרצו למדוד, כמו תאוצה, כוח משיכה, סיבוב או קבועים בסיסיים".
הרחבת גבולות הפיזיקה הניסויית
בשנת 2019, מולר ועמיתיו הוסיפו סריג אופטי כדי לשמור את האטומים קרובים למשקל הטונגסטן למשך זמן רב יותר – 20 שניות מדהימות – כדי להגביר את השפעת כוח הכבידה על הפאזה. הסריג האופטי משתמש בשתי קרני לייזר מוצלבות היוצרות מערך דמוי סריג של מקומות יציבים עבור אטומים להתכנס, מרחפים בוואקום. אבל האם 20 שניות היא המגבלה, הוא תהה?
במהלך שיא ה COVID 19 מגיפה, פנדה עבדה ללא לאות כדי להאריך את זמן ההחזקה, תוך תיקון שיטתי של רשימה של 40 מחסומים אפשריים עד שקבעה שהטיה המתנודדת של קרן הלייזר, הנגרמת על ידי רעידות, היא מגבלה גדולה. על ידי ייצוב הקרן בתוך תא תהודה וכיוונון הטמפרטורה לקצת יותר קרה – במקרה זה פחות ממיליונית הקלווין מעל אפס מוחלטאו פי מיליארד קר יותר מטמפרטורת החדר – הוא הצליח להאריך את זמן ההחזקה ל-70 שניות.
הוא ומילר פרסמו את התוצאות הללו בגיליון 11 ביוני 2024 של פיזיקת הטבע.
הסתבכות כבידה
בניסוי הכבידה החדש שדווח, פנדה ומילר החליפו זמן קצר יותר, 2 שניות, עבור הפרדה גדולה יותר של מנות הגלים לכמה מיקרונים, או כמה אלפיות המילימטר. ישנם כ-10,000 אטומי צסיום בתא הוואקום עבור כל ניסוי – מפוזרים בדלילות מכדי לקיים אינטראקציה זה עם זה – מפוזרים על ידי הסריג האופטי לעננים של כ-10 אטומים כל אחד.
"כוח הכבידה מנסה לדחוף אותם למטה בכוח חזק פי מיליארד מהמשיכה שלהם למסת הטונגסטן, אבל יש לך את הכוח המשקם מהסריג האופטי שמחזיק אותם, בערך כמו מדף", אמר פנדה. "לאחר מכן אנחנו לוקחים כל אטום ומפצלים אותו לשתי חבילות גל, אז עכשיו הוא נמצא בסופרפוזיציה של שני גבהים. ואז אנחנו לוקחים כל אחת משתי חבילות הגלים האלה ומעמיסים אותן באתר סריג נפרד, מדף נפרד, כך שזה נראה כמו ארון. כאשר אנו מכבים את הסריג, מנות הגל מתחברות מחדש, וניתן לקרוא את כל המידע הקוונטי שנרכש במהלך ההחזקה".
פנדה מתכנן לבנות אינטרפרומטר אטומי סריג משלו באוניברסיטת אריזונה, שם הוא מונה זה עתה לעוזר פרופסור לפיזיקה. הוא מקווה להשתמש בו כדי, בין היתר, למדוד ביתר דיוק את קבוע הכבידה המקשר בין כוח הכבידה למסה.
בינתיים, מולר וצוותו בונים מאפס אינטרפרומטר אטומי סריג חדש עם בקרת רטט טובה יותר וטמפרטורה נמוכה יותר. המכשיר החדש יכול להפיק תוצאות טובות פי 100 מהניסוי הנוכחי, רגישות מספיק כדי לזהות את התכונות הקוונטיות של כוח הכבידה. הניסוי המתוכנן לגילוי הסתבכות כבידה, אם יצליח, יהיה דומה להדגמה הראשונה של הסתבכות קוונטית של פוטונים שבוצעה באוניברסיטת ברקלי ב-1972 על ידי סטיוארט פרידמן המנוח ועמית הפוסט-דוקטורט לשעבר ג'ון קלוזר. קלוזר חלק את פרס נובל לפיזיקה לשנת 2022 על עבודה זו.
מחברים שותפים נוספים של מאמר הכבידה הם הסטודנט לתואר שני מתיו טאו וסטודנט לשעבר לתואר ראשון מיגל סג'ה מאוניברסיטת ברקלי, ג'סטין חורי מה- אונברסיטת פנסילבניה בפילדלפיה וגוגלילמו טינו מאוניברסיטת פירנצה באיטליה. העבודה נתמכת על ידי הקרן הלאומית למדע (1708160, 2208029), המשרד לחקר הצי (N00014-20-1-2656) ומעבדת הנעה סילון (1659506, 1669913).
