شبیه‌سازی امواج گرانشی به کمک ذرات کوانتومی

خلاصه خبر:

فیزیکدانان راه جدیدی برای مطالعه امواج گرانشی پیدا کرده اند، امواج قدرتمند در فضازمان که توسط نظریه نسبیت عام اینشتین پیش بینی شده است. به جای استفاده از رصدخانه های عظیم مانند LIGO، آنها اکنون می توانند امواج گرانشی را در آزمایشگاه با استفاده از چگالش‌های کوانتومی شبیه سازی کنند - حالت های عجیب ماده که با سرد کردن اتم ها تا بالای صفر مطلق ایجاد می شود. این چگالش‌های کوانتومی، به‌ویژه حالت‌های "spin nematic"، برانگیختگی‌های موج‌مانندی با همان خواص ریاضی امواج گرانشی از خود نشان می‌دهند. این به محققان اجازه میدهد تا با استفاده از آزمایش های فشرده و رومیزی به جای تلسکوپ های بزرگ، فیزیک بنیادی فضا-زمان را کشف کنند. با ایجاد یک آنالوگ آزمایشگاهی از امواج گرانشی، دانشمندان می توانند بینش جدیدی در مورد پدیده های اخترفیزیکی شدید مانند ادغام سیاهچاله ها باز کنند.

توضیحات تکمیلی:

هنگامی که دو سیاهچاله با هم برخورد می کنند، امواج قدرتمندی را در بافت فضا و زمان منتشر می کنند که به عنوان امواج گرانشی شناخته می شوند. این امواج گرانشی برای اولین بار توسط آلبرت انیشتین بیش از یک قرن پیش به عنوان بخشی از نظریه مبتکرانه نسبیت عام پیش بینی شد. اما در واقع مشاهده این امواج کیهانی یک چالش بزرگ بوده است.

برای تشخیص اعوجاج های بی نهایت کوچک در فضا ناشی از امواج گرانشی، به ابزارهای فوق العاده حساسی مانند رصدخانه امواج گرانشی تداخل سنج لیزری (LIGO) نیاز است. LIGO و تلسکوپ‌های مشابه در مقیاس بزرگ فقط می‌توانند پرانرژی‌ترین رویدادهای امواج گرانشی مانند ادغام سیاه‌چاله‌ها را تشخیص دهند.

اکنون، تیمی از محققان راه جدیدی برای شبیه سازی و مطالعه امواج گرانشی پیدا کرده اند - با استفاده از چگالش‌های کوانتومی (quantum condensates )  در آزمایشگاه. چگالش‌های کوانتومی حالت‌های عجیب و غریبی از ماده هستند که با سرد کردن اتم‌ها تا بالای صفر مطلق ایجاد می‌شوند. در این حالت فوق سرد، اتم ها مانند یک "ابر اتم" منفرد رفتار می کنند.

دانشمندان بر روی نوع خاصی از چگالش‌های کوانتومی به نام «نماتیک اسپین» یا همان spin nematic  تمرکز کردند، جایی که اتم‌ها در یک الگوی یکنواخت قرار می‌گیرند و اجازه می‌دهند تحریکات موج مانند شکل بگیرند. با کمال تعجب، آنها کشف کردند که خواص ریاضی این امواج با خواص امواج گرانشی یکسان است.

نیک شانون از مؤسسه علم و فناوری اوکیناوا (OIST) توضیح داد: «ما متوجه شدیم که ویژگی‌های امواج در حالت اسپین-نماتیک از نظر ریاضی با امواج گرانشی یکسان است.

این یافته قابل توجه بدان معنی است که به جای ساختن رصدخانه های عظیم امواج گرانشی، اکنون دانشمندان می توانند این امواج کیهانی گریزان را با استفاده از آزمایش های فشرده و رومیزی با چگالش‌های کوانتومی مطالعه کنند. هان یان از دانشگاه توکیو می گوید: «این نتیجه مهم است زیرا شبیه سازی و مطالعه امواج گرانشی را در یک محیط آزمایشی بسیار ساده تر ممکن می کند.

با ایجاد یک آنالوگ از امواج گرانشی در آزمایشگاه، محققان می توانند فیزیک بنیادی فضا-زمان را به روش های جدیدی کشف کنند. این شکاف بین نظریه نسبیت عام انیشتین و جهان کوانتومی را پر می کند و به طور بالقوه بینش های جدیدی را در مورد شدیدترین پدیده های اخترفیزیکی در جهان باز می کند.

منبع

Leilee Chojnacki et al, Gravitational wave analogs in spin nematics and cold atoms, Physical Review B (2024). DOI: 10.1103/PhysRevB.109.L220407

https://phys.org/news/2024-08-quantum-particles-mimic-gravitational.html