לכופף את המציאות: איינשטיין פוגש את מכניקת הקוונטים בקרח האנטארקטי

חוקרים בוחנים את המימשק בין שתי התאוריות האלה, באמצעות חלקיקי נייטרינו עם אנרגיה אולטרה גבוהה שגילה גלאי חלקיקים שהוצב עמוק בתוך הקרחון האנטארקטי בקוטב הדרומי

תורת היחסות הכללית של איינשטיין מסבירה שהכבידה נגרמת על ידי  עיקום של הכיוונים של המרחב והזמן. הביטוי הכי מוכר לכך הוא הכבידה של כדור הארץ, שמשאירה אותנו על הקרקע ומסבירה מדוע כדורים נופלים אל הריצפה ולאנשים יש משקל כשהם עולים על משקל.  

בתחום של פיזיקת חלקיקים, מאידך, מדענים חוקרים עצמים זעירים בלתי נראים המצייתים לחוקי מכניקת הקוונטים – המאופיינת על ידי תנודות אקראיות שיוצרת אי ודאות במיקום ובאנרגיה של חלקיקים כמו אלקטרונים, פרוטונים ונייטרונים. צריך להבין את האקראיות של מכניקת הקוונטים כדי להסביר את התנהגות החומר והאור בקנה מידה תת-אטומי.

במשך עשרות שנים מדענים מנסים לאחד את שני תחומי המחקר האלה כדי לקבל תיאור קוונטי של הכבידה, שישלב בין פיזיקת העיקום הקשורה ליחסות הכללית והתנודות האקראיות המסתוריות הקשורות למכניקת הקוונטים.

במחקר חדש של האוניברסיטה של טקסס בארלינגטון (UTA) שהתפרסם ב-Nature Physics מדווחים על חקירה חדשה ומעמיקה לתוך המימשק בין שתי התאוריות האלה, באמצעות חלקיקי נייטרינו עם אנרגיה אולטרה גבוהה שגילה גלאי חלקיקים שהוצב עמוק בתוך הקרחון האנטארקטי בקוטב הדרומי.

"האתגר של איחוד מכניקת הקוונטים עם תורת הכבידה הוא עדיין אחת הבעיות בלתי פתורות הכי דוחקות בפיזיקה", אומר המחבר השותף בנג'מין ג'ונס, פרופסור חבר לפיזיקה. "אם שדה הכבידה מתנהג באופן דומה לשדות האחרים בטבע, העיקום שלו צריך להראות תנודות קוונטית אקראיות".

ג'ונס ותלמידי המוסמכים מ-UTA אקשימה נגי וגרנט פרקר היו חלק מצוות השת"פ הבינ"ל IceCube שכלל יותר מ-300 מדענים.

כדי לחפש חתימות של כבידה קוונטית, הצוות מיקם על פני קמ"ר אחד ליד הקוטב הדרומי באנטארקטיקה אלפי חיישנים שניטרו חלקיקי נייטרינו, חלקיקים תת-אטומיים לא רגילים אבל נפוצים, שהם נטולי מטען חשמלי ומסה. הצוות הצליח לחקור יותר מ-300,000 חלקיקי נייטרינו. הם רצו לבדוק האם החלקיקים האלה עם אנרגיה אולטרה גבוהה הופרעו על ידי תנודות קוונטית אקראיות במרחב זמן שנצפה שיהיו אם הכבידה קשורה למכניקת קוונטים, כי הם עוברים מרחקים ארוכים על פני הארץ.

"חיפשנו את התנודות האלה על ידי חקירת הטעמים של חלקיקי הנייטרינו שגילה המצפה IceCube", אמר נגי. "העבודה שלנו הניבה מדידה שהייתה הרבה יותר רגישה ממדידות קודמות (יותר מפי מיליון, בחלק מהמודלים), אבל לא מצאנו עדות להשפעות הצפויות של כבידה קוונטית".

העובדה שלא נצפתה גיאומטריה קוונטית של המרחב זמן היא אמירה חזקה על הפיזיקה העדיין בלתי ידועה שפועלת בממשק בין מכניקת הקוונטים והיחסות הכללית.

"הניתוח הזה הוא הפרק האחרון בתרומה בת קרוב לעשור של UTA למצפה IceCube", אמר ג'ונס. "הקבוצה שלי מבצעת עכשיו ניסויים חדשים שמטרתם להבין את המקור והערך של מסת חלקיקי הנייטרינו באמצעות טכניקות של פיזיקה אטומיות, מולקולריות ואופטית".

למאמר המדעי

עוד בנושא באתר הידען:

• קפסולת הזמן שמסתתרת בקרח של אנטארקטיקה
• אדוות רפאים בחלל
• איזו קלאסה, יש לי מסה! – נובל בפיזיקה למדענים שחשפו את סודות הנייטרינו
• לראשונה זוהה חלקיק נייטרינו שהגיע אלינו מסביבת חור שחור סופר מאסיבי
• האם השעון הגיאולוגי הבנוי על מחצית החיים של חומרים רדיואקטיביים צריך לעבור כיול מחדש?