لعقود من الزمن، حاول الفيزيائيون إنشاء نموذج للجاذبية الكمية من شأنه أن يوحد الكم
لكن بعض النماذج تتنبأ بالتأثيرالتي يمكن التحقيق فيها في المختبر: انتهاك طفيف لمبدأ الكم الأساسي المعروف باسم مبدأ استبعاد باولي. فهو يحدد ، على سبيل المثال ، كيفية ترتيب الإلكترونات في الذرات. هذا هو بالضبط ما يعمل عليه موظفو مشروع مختبر INFN تحت الأرض تحت جبال غران ساسو في إيطاليا. هدفهم هو البحث عن علامات الإشعاع الناتجة عن مثل هذا الانتهاك ، في شكل انتقالات ذرية يحظرها مبدأ باولي.
في ورقتين نشرتا في مجلتي Physical Review Letters و Physical Review D ، وصف العلماء ما إذا كانوا قد نجحوا أم لا.
كيف يعمل مبدأ باولي؟
في دروس الكيمياء المدرسية ، يعلمون تلك الإلكتروناتمرتبة في الذرات بطريقة معينة فقط. اتضح أن هذا يرجع إلى مبدأ استبعاد باولي. في مركز الذرة توجد النواة الذرية ، محاطة بمدارات بها إلكترونات. المدار الأول ، على سبيل المثال ، يحتوي على إلكترونين فقط.
تمت صياغة مبدأ استبعاد باوليصرح الفيزيائي النمساوي ولفانغ باولي عام 1925 أنه لا يوجد إلكترونان يمكن أن يكون لهما نفس الحالة الكمومية. لذلك ، في المدار الأول للذرة ، يمكن أن يكون لإلكترونين يدوران بشكل معاكس. عادة ما يتم تصوير هذه الخاصية الجوهرية الكمومية كمحور دوران لأعلى أو لأسفل ، على الرغم من أن الإلكترون لا يحتوي على محور بالمعنى الحرفي.
سباق الفوتون الثقالي الكمي. الصورة: ناسا
في الأساس ، هذا يعني أن الأمر وحده لا يمكنه ذلكيمر عبر آخر. كما يشرح العلماء ، هذا يعمل في كل مكان - "أنت ، أنا ، نحن مبنيون على مبدأ استبعاد باولي." أبسط مثال على هذا القانون هو حقيقة أن الناس لا يستطيعون السير عبر الجدران.
هذا المبدأ ينطبق على جميع الابتدائيةالجسيمات التي تنتمي إلى نفس عائلة الإلكترونات والمعروفة باسم الفرميونات. تم اشتقاقه رياضيًا من نظرية أساسية تُعرف باسم نظرية إحصائيات الدوران. أيضًا ، تم تأكيد مبدأ استبعاد باولي تجريبيًا. حتى الآن ، كان من المفترض أن يكون هذا صحيحًا بالنسبة لجميع الفرميونات. يعد مبدأ استبعاد باولي أحد المبادئ الأساسية للنموذج القياسي لفيزياء الجسيمات.
انتهاك المبدأ
لكن وفقًا لبعض النظريات التخمينية ،التي تتجاوز النموذج القياسي ، يمكن انتهاك هذا المبدأ. لعقود من الزمان ، كان الفيزيائيون يبحثون عن نظرية أساسية للواقع. النموذج القياسي ممتاز في شرح سلوك الجسيمات والتفاعلات والعمليات الكمومية على المستوى الجزئي. ومع ذلك ، فإنه لا يشمل الجاذبية.
لذا ، يحاول الفيزيائيون تطوير وحدةنظرية الجاذبية الكمومية ، تتنبأ بعض إصداراتها بأن الخصائص المختلفة التي يقوم عليها النموذج القياسي ، مثل مبدأ استبعاد باولي ، يمكن انتهاكها في ظل الظروف القصوى.
على سبيل المثال ، العديد من هذه الاضطرابات طبيعيةتحدث فيما يسمى بالنظريات غير التبادلية ونماذج الجاذبية الكمومية. وتعتبر نظرية الأوتار من أكثرها شيوعًا. تصف الجسيمات الأساسية بأنها خيوط طاقة متذبذبة صغيرة في فضاءات متعددة الأبعاد. تتنبأ بعض نماذج نظرية الأوتار أيضًا بمثل هذا الانتهاك.
صعوبة التحقق
يعتقد تقليديا أن مثل هذه التنبؤاتمن الصعب التحقق. الجاذبية الكمية "عضوية" فقط للأماكن التي تتركز فيها كمية هائلة من الجاذبية في مساحة صغيرة. أبسط مثال على ذلك هو مركز الثقب الأسود ، مسقط رأس الكون.
ومع ذلك ، توصل مؤلفو الدراسة الجديدة إلى بديل. يمكن الكشف عن تأثير انتهاك مبدأ الاستبعاد ونظرية إحصائيات الدوران في التجارب المعملية على الأرض.
في أعماق جبال غران ساسو، خارج المدينة مباشرةًلاكويلا في إيطاليا، يعمل الفيزيائيون على تجربة VIP-2 لانتهاك مبدأ باولي. يعتمد الجهاز الخاص على كتلة سميكة من الرصاص الروماني، وبجوارها يوجد كاشف للجرمانيوم. يلتقط علامات الإشعاع الصغيرة القادمة من المعدن.
مختبر تحت الأرض للنشاط الإشعاعي المنخفض في غران ساسو.
الصورة: ماسيميليانو دي ديو ، LNGS-INFN
الفكرة هي أنه إذا كان التحريم مبدأباولي سوف ينتهك ، داخل الصدارة سيكون هناك انتقال ذري "ممنوع" ، يولد أشعة سينية بإشارة طاقة مميزة. سيتم التقاطه بواسطة كاشف الجرمانيوم.
صمت الفضاء
تم وضع المختبر خصيصًا تحت الأرض ،لأن الإشعاع الناتج عن مثل هذه العملية سيكون ضعيفًا جدًا بحيث يتم إغراقه بواسطة إشعاع الخلفية العام من الأشعة الكونية على الأرض. كما يشرح العلماء الإيطاليون ، يوفر مختبرهم ما يسمى بالصمت الكوني - يقلل جبل غران ساسو من تدفق الأشعة الكونية مليون مرة. ومع ذلك ، هذا وحده لم يكن كافيا.
تردد الإشارة التي يبحث عنها علماء الفيزياء هوحدث واحد أو حدثان في اليوم أو أقل. هذا يعني أن المواد المستخدمة في التجربة يجب أن تكون "نظيفة" - يجب ألا تصدر أي شيء. ويجب أن تكون المعدات محمية من إشعاع الصخور. كتب العلماء أن هذا مستحيل في المسرعات الحديثة.
ماذا فعل العلماء؟
بعد إجراء تجربة في معمل تحت الأرض ،لم يجد العلماء أي دليل على انتهاك مبدأ باولي. هذا يستثني بعض نماذج الجاذبية الكمومية. بعبارة أخرى ، لم يمسك الفيزيائيون بالإشارة "المحرمة". على أي حال ، الآن.
أيضًا ، كجزء من المشروع ، حلل علماء الفيزياءتنبؤات نموذج بوانكاريه ثيتا واستبعدت بعض إصدارات النموذج على مقياس بلانك (المقياس الذي تنتهك به قوانين الجاذبية الكلاسيكية المعروفة). بالإضافة إلى ذلك ، يتناقض تحليلهم مع بعض التطبيقات المحددة للجاذبية الكمية.
ما التالي؟
يخطط الباحثون الآن لتوسيع أبحاثهم إلىنماذج أخرى للجاذبية الكمومية مع الفيزيائيين الصينيين. سيستخدمون مواد وطرق تحليل جديدة للبحث عن إشارات ضعيفة من أجل "الكشف عن نسيج الزمكان" ، كما أوضح مؤلفو التجارب.
"الشيء المثير للاهتمام هو أنه يمكننا استكشاف بعضاستنتج العلماء أن نماذج الجاذبية الكمومية بهذه الدقة العالية التي يستحيل القيام بها على المسرعات الحديثة. "هذه قفزة كبيرة من الناحية النظرية والتجريبية."
قراءة المزيد:
ابتكر مهندس يبلغ من العمر 17 عامًا محركًا غير مغناطيسي: يمكن استخدامه في السيارات الكهربائية
تم العثور على كواكب ليست بعيدة عن الأرض. ربما هم مأهولون
أعاد نيزك فريد كتابة تاريخ النظام الشمسي: من أين أتى
صورة الغلاف: ويكيبيديا