حسّاس كمومي قد يرصد سحب الأرض للزمكان
يقترح باحثون حسّاساً كمومياً صغيراً قد يقيس سحب الأرض للزمكان بدقة 0.2% داخل المختبر، متجنباً بعض تعقيدات القياس بالأقمار الصناعية. لكن الجهاز ما زال تصميماً نظرياً، وبناؤه يتطلب ثقوباً بحجم الذرات.
قد يتيح جهاز مخبري صغير قياس «سحب الإطار» الذي تُحدثه الأرض، وهو أثر خفيّ تنبأت به النسبية العامة، بدقة 0.2% خلال نحو 35 دقيقة. هذا ما يقترحه باحثون في دراسة جديدة، لكن الجهاز لم يُبنَ بعدُ، وما بين أيديهم حتى الآن حسابات ونماذج نظرية. وإن نجح التصميم فسيكون بديلاً أسرع من القياسات الفضائية التي استغرق أحدثها نحو ثلاث سنوات من التتبع بالليزر.
نُشرت الدراسة في 17 سبتمبر في مجلة Physical Review Letters (المجلد 137، العدد 12، المقالة 121404، 2026). مؤلفوها هم K.-I. Ellers وM. Christodoulou وK. C. Schwab وK. B. Whaley، وهي متاحة على موقع المجلة.
ما المقصود بسحب الإطار، وكيف قيس حتى اليوم؟
تتنبأ النسبية العامة بأن الأجسام الضخمة الدوّارة تسحب معها نسيج الزمكان المحيط بها. ويظهر هذا الأثر بوضوح حول الأجسام الفائقة الكتلة، ومنها الثقب الأسود في مركز مجرّة درب التبانة. أما الأرض فأثرها ضعيف جداً، ولم يُقَس حتى الآن إلا من المدار.
كان القياس الأول بعثة Gravity Probe B التابعة لوكالة ناسا. حملت المركبة أربعة جيروسكوبات، أي أجهزة دوّارة تحتفظ باتجاهها، وأكدت عام 2011 توقع أينشتاين بهامش خطأ بلغ نحو 18%. وتفصيل هذا القياس منشور هنا. ثم حسّنت أقمار صناعية تُتتبَّع بالليزر القياسات. وآخر ما حقق ذلك القمر LARES-2، الذي أعلن الباحثون في مجلة Nature في يوليو أنه خفّض هامش الخطأ إلى 0.2%، بعد نحو ثلاث سنوات من التتبع بالليزر.
لكن القياس من المدار يواجه عقبة. فانتفاخ الأرض عند خط الاستواء وتوزّع كتلتها غير المتساوي يولّدان اضطرابات في الجاذبية، وهذه تشدّ الأقمار الصناعية بقوة تفوق قوة سحب الإطار. ولذلك يعتمد فريق كل قمر على خرائط جاذبية مفصّلة جمعتها أقمار أخرى، ليطرح منها هذا التأثير. وهذا يعني أن النتيجة تقوم على افتراضات في النمذجة.
وللمسألة بعد يتجاوز الدقة. فنظريات الجاذبية البديلة تتوقع مقادير مختلفة قليلاً لسحب الإطار، والقياس المخبري الذي يتجنب افتراضات النمذجة المستخدمة في تجارب الأقمار قد يساعد على التمييز بينها، وعلى اختبار النسبية العامة نفسها.
كيف يعمل الحسّاس المقترح؟
يقوم التصميم على حلقة من الهيليوم-4 فائق السيولة تقطعها وصلة جوزيفسون (Josephson junction)، وهي حاجز رقيق مثقوب بثقوب دقيقة. والهيليوم-4 يتحول إلى سائل فائق عند 2.17 كلفن، أي ما يعادل 455.76 درجة فهرنهايت تحت الصفر، أو 270.98 درجة مئوية تحت الصفر. وفي هذه الحالة يتدفق بلا احتكاك ويتصرف ككائن كمومي واحد كبير. ويمر السائل الفائق عبر ثقوب الوصلة، بينما لا يستطيع الهيليوم السائل العادي المرور.
يشرح الباحثون أن دوران الأرض وسحب الإطار معاً يغيّران الحالة الكمومية للهيليوم وتردد تأرجحه داخل الحلقة. وتقول K. Birgitta Whaley، الفيزيائية الكمومية في جامعة كاليفورنيا في بيركلي والمؤلفة المشاركة في الدراسة: «من هنا يأتي السلوك الكمومي».
أما الفكرة الفيزيائية الأساسية فيشرحها الطالب Kai-Isaak Ellers، طالب الدراسات العليا في الفيزياء بالجامعة نفسها والمؤلف الأول للدراسة. فالساعات الموزّعة حول حلقة مغلقة في إطار دوّار لا يمكن مزامنتها كلها. ويقول: «من المستحيل مزامنة تلك المجموعة من الساعات عندما تكون في إطار دوّار». وتعالج الدراسة هذا التباين في المزامنة.
والأجهزة فائقة السيولة ليست جديدة في رصد الدوران. فمنذ أواخر التسعينيات تكشف أجهزة من هذا النوع، بُني كثير منها في بيركلي، دوران الأرض.
لماذا تُدرس درجات قريبة من الصفر المطلق؟
عملت أجهزة الهيليوم-4 السابقة ذات وصلات جوزيفسون ضمن نحو جزء من مئة من الدرجة حول 2.17 كلفن، وهي أجهزة وصفتها ورقة بحثية سابقة. وفي هذا النطاق يختلط بالهيليوم فائق السيولة قدر متبقٍّ من الهيليوم العادي، فيضيف ضجيجاً يحدّ من الحساسية.
لذلك نمذج الباحثون الجهاز المقترح عند درجات تعلو الصفر المطلق ببضعة أجزاء من ألف من الدرجة. وتحت 0.7 كلفن يتغير طابع الضجيج ويهبط بحدة كلما برد الهيليوم. وأشار تحليل الفريق للضجيج الحراري إلى حساسية عالية للحسّاس عند درجات المللي كلفن. وتقول Whaley: «يبدو هذا اكتشافاً جاء مصادفةً بحسن حظ، وهو أننا نستطيع عند المللي كلفن الحصول على هذه الحساسية العالية».
ما الذي ينقص الجهاز بعد؟
العقبة الكبرى هي المواد. فالثقوب في وصلات الأجهزة السابقة بلغ عرضها نحو 90 نانومتراً، أما الحسّاس المقترح فيحتاج إلى ثقوب عرضها نحو نانومتر واحد، أي نحو حجم ذرة هيليوم. ويعمل Keith Schwab، الفيزيائي في معهد كاليفورنيا للتقنية، وزملاؤه على تطوير المواد اللازمة، لكنهم لم يبنوا حسّاساً يعمل.
وبحسب حسابات الباحثين، يستطيع الحسّاس قياس سحب الإطار بدقة 0.2% في نحو 35 دقيقة. ويمكن لغشاء مهتز مصنوع من الكوارتز أو الياقوت الأزرق منخفض الفقد أن يخفض زمن القياس إلى نحو ثانية واحدة.
والإشارة المتوقعة صغيرة جداً: فرق قدره 10⁻³⁵ ثانية بين تدفق الهيليوم في اتجاهين متعاكسين، وهي قريبة في طبيعتها من عدم تطابق الساعات في مثال الحلقة الدوّارة. وتقول Whaley: «الشيء المثير فيها هو مدى صغرها».
وهذا الرقم يقودها إلى مقارنة أبعد. فزمن بلانك، وهو أقصر فاصل زمني يُتوقع قبله أن تنهار القوانين الفيزيائية المعروفة، يبلغ نحو 10⁻⁴⁴ ثانية، ولا تزال التجربة المقترحة أكبر منه بمليار مرة. ومع ذلك تقول Whaley: «ليس بعيداً جداً عن زمن بلانك». وترى الدراسة أن تجارب هيليوم مستقبلية قد تبحث في ما إذا كان الزمن يتدفق بصورة متصلة أو في قفزات غير قابلة للتجزئة.
وتتوقف الخطوة التالية على نجاح فريق Schwab في تصنيع وصلات بثقوب بحجم نانومتر واحد، فبعدها فقط يمكن اختبار الحسابات على جهاز حقيقي.
أخبار ذات صلة
ناسا تبدأ مسعى جديداً لإعادة عينات المريخ إلى الأرض
لا نستطيع رؤية الومضات الراديوية السريعة، لكن أصبح بإمكاننا سماعها الآن بفضل كاتدرائية فنلندية
كوكب خارجي صالح للحياة: ماذا يتطلب حقاً؟
