دوّار بوزن ميليغرام واحد، تثبّته المراقبة
على مدى العشرين عامًا الماضية، تعلّم الفيزيائيون التحكم في أجسام ميكانيكية قريبة من حدودها الكمومية — من مرنانات نانوية تزن فيمتوغرامات إلى مرايا كاشفات موجات الجاذبية التي تزن عدة كيلوغرامات. لكن معظمها تقريبًا مذبذبات: شيء ما، كالنابض، يعيدها إلى المركز. أما أبسط نظام في ميكانيكا الكم، وهو الجسيم الحر، الذي لا يعيده شيء، فقد استعصى على مثل هذا التحكم. فعند الترددات المنخفضة التي تجري فيها الحركة الحرة، يُغرق الاحتكاك وضجيج المحيط كل شيء.
ومع ذلك، فالكتل الحرة هي بالضبط ما تحتاجه عدة أسئلة كبرى: اختبار ما إذا كانت الجاذبية كمومية، وفحص تعديلات مقترحة على ميكانيكا الكم، والبحث عن قوى جديدة قصيرة المدى.
مرآة على خيط زجاجي
صنع فريقٌ يضم أومانغ ميشرا (Umang Mishra) وتيودور سترومبرغ (Teodor Strömberg) وأونور هوستن (Onur Hosten) وزملاءهم في معهد العلوم والتكنولوجيا في النمسا (Institute of Science and Technology Austria) جسمَ الاختبار: قضيب مرآوي يزن 1 ميليغرام من السيليكا المصهورة، طوله 2 مليمتر، معلّق بليف من السيليكا المصهورة طوله 15 سنتيمترًا وسُمكه 1 ميكرومتر، في فراغ أدنى من 10⁻¹⁰ ميليبار. وبالمعنى الدقيق، هو بندول التوائي يتأرجح ذهابًا وإيابًا مرة كل 15 ثانية. لكنه على المقاييس الزمنية المهمة هنا، أي عشرات الميلي ثوانٍ، بالكاد يشعر بهذا الشدّ: فيتصرف كجسم حر.
وعزله بالغ الشدة. فقد قاس الفريق العزوم العشوائية التي تهزّه، ولم يجد ضجيجًا يتجاوز ما يُنتجه معدل تخامد لا يزيد على 7 نانوهرتز. ولو استُخدم القضيب مقياسًا للتسارع، لكان طرفه أكثر حساسية بنحو مئة مرة من أفضل التجارب السابقة عند هذه الكتلة.
ولمراقبته، تعكس «رافعة بصرية مزدوجة» (double optical lever) شعاعَي ليزر عن المرآة في اتجاهين متعاكسين، بحيث يُلغى أي اهتزاز في الليزر نفسه ولا يبقى إلا دوران القضيب. ويمكن لشعاع ثالث أن يدفع القضيب بضغط الضوء. وتقف المنظومة كلها على منصة عزل زلزالي، ويتتبّع مقياس تداخل صغير، له مرآته المعلّقة الخاصة، أي حركة متبقية لهذه المنصة.
القياس بدل المصيدة
الفكرة الأساسية هي أن القياس المستمر يمكن أن يحلّ محلّ المصيدة. فإذا تُرك جسم حر وشأنه، تتسع الريبة في موضعه وسرعته باطّراد. أما إذا قيس دون انقطاع، فإن مساره يتكشّف أثناء حدوثه، وتستقر معرفتنا بحالته عند ضبابية ثابتة ومحدودة. وهنا تستقر هذه الضبابية في نحو 26 ميلي ثانية.
ويمكن تحويل هذه الريبة المتبقية إلى درجة حرارة، عبر التعريف المدرسي الذي يربط درجة الحرارة بتغيّرات الإنتروبيا. وهذه «الحرارة الإنتروبية» (entropic temperature) تبيّن مدى دقة معرفة حركة الدوّار، وتسمح بمقارنة الأجسام الحرة بالمذبذبات.
احتجز الفريق القضيب بالضوء، ثم أطلقه، وسجّل زاويته في 100 مقطع مدة كل منها 1.25 ثانية. وقورنت طريقتان لإعادة بناء حالته: تقدير «سببي» (causal) لا يستخدم إلا القياسات السابقة، وتقدير «منعَّم» (smoothed) يستخدم أيضًا القياسات التي أُجريت بعد ذلك. وقد أتاح الفرق بينهما طريقة جديدة للتحقق من مدى الدقة الفعلية في معرفة الحالة.
140 نانوكلفن
- بالاعتماد على البيانات السابقة وحدها، تقابل حالة الدوّار 1.2 ميكروكلفن.
- ومع التنعيم، تنخفض إلى 140 نانوكلفن — أي 140 جزءًا من مليار من الدرجة فوق الصفر المطلق.
وهذا أبرد بنحو رتبتين من حيث المقدار من التجارب المخبرية الصغيرة السابقة على الأجسام الميكانيكية. ويشير المؤلفون إلى أن ذلك يُدخل هذه الأنظمة نظام البرودة الفائقة، المرتبط حتى الآن أساسًا بسحب الذرات المبرّدة بالتبخير. ولم يكن للتبريد التقليدي بالتغذية الراجعة أن يبلغه.
وثمة حدّ أدنى. فعند هذا المستوى من العزل، يتنبأ النموذج بأن درجة الحرارة لا يمكن أن تنخفض إلى ما دون نحو 15 نانوكلفن: فبحسب مبدأ عدم اليقين لهايزنبرغ، كلما ازدادت دقة قياس الموضع، ازدادت ضبابية سرعة الدوران.
ما فائدة كتلة حرة هادئة
يتبادر استخدامان على الفور. فبعض النظريات تعدّل ميكانيكا الكم بحيث تنهار الضبابية الكمومية تلقائيًا، وهو ما يضيف اهتزازًا عشوائيًا خافتًا إلى كل جسم. والسكون المقيس للدوّار يستبعد نطاقًا جديدًا من هذه النماذج عند الترددات المنخفضة، مكمّلًا للحدود التي وضعتها مهمة LISA Pathfinder الفضائية.
والاستخدام الثاني هو الجاذبية. فمعرفة ما إذا كانت الجاذبية قادرة على إحداث تشابك بين كتلتين سؤال مفتوح محوري. وبحسب معيار الأداء (figure of merit) الذي يعتمده الفريق، فإن دوّارين من هذا النوع سيتفوّقان بالفعل على أي نظام سبق عرضه تجريبيًا بنحو رتبتين من حيث المقدار في النسبة بين توليد التشابك وفقدانه، مع بقائهما بعيدين عن الهدف. ويكتب المؤلفون أن إضافة تجويف بصري متواضع لقراءة الدوران ستجعل النقاء المطلوب في المتناول.