Çok küçük ölçekte gerçekleşecek bilimsel bir atılım, yakında evrenin en büyük gizemlerine cevap bulmamıza yardımcı olabilir.
Yerçekiminin parmak izi her yerde görülebilir. Ay’ın her gece Dünya’nın etrafında izlediği yolda ve buzlu bir kaldırım parçasında düştüğünüzde duyduğunuz o alçakgönüllü vuruşta.
Yerçekimi kuvveti günlük hayatımızı düzenler ve hatta milyarlarca ışık yılı uzaklıktaki kara deliklerin birbirine çarpışmasını bulmamıza yardımcı olabilir. Yine de, yerçekimi hem insan hem de kozmos için hayati önem taşısa da, kuantum düzeyinde dünyayı incelediğinizde neredeyse hiç fark edilmez.
Bilim adamları, döngü kuantum çekimi veya sicim teorisi gibi karmaşık kavramları kullanarak hem klasik hem de kuantum ölçeğindeki yer çekimi etkilerini bir araya getirmenin bir yolunu bulmaya çalışıyorlar. Evrenin diğer önemli sorularını (örneğin Büyük Patlama’nın başlangıcı veya karanlık maddeyi oluşturan şey) çözmek için birleşik bir yer çekimi teorisi kullanmak önemli olabilir. Bununla birlikte, her iki kavram da teorik olarak değerli olsa da, yer çekiminin kuantum düzeyindeki küçük etkilerini belirlemek tamamen başka bir konudur.
Bu noktada, bu yılın başlarında Science Advances dergisinde yayınlanan yeni bir çalışma ortaya çıkıyor. Bu çalışmada, İngiltere, Hollanda ve İtalya’dan bir araştırma grubu, yalnızca 0,43 miligram ağırlığındaki bir parçacık üzerinde bir Newton’un bir kentilyonda birine eşit bir kütle çekim kuvvetini ölçebilecek kadar hassas bir deney tasarladı. 1 attoNewton ölçeğinde. Bir Newton’un kütle çekim kuvveti, bir elmayı masanın üzerinde aşağı doğru iten kütle çekim kuvvetine yaklaşık olarak eşdeğerdir.
Makalenin kıdemli yazarlarından biri olan Hollanda’daki Leiden Üniversitesi’nde teorik fizik profesörü Tjerk Oosterkamp’tır. Ekip tarafından ölçülen kütle çekim kuvvetinin çok küçük bir parçacıkta olmasına rağmen (aslında, bu tür bir kuvvetin ölçüldüğü en küçük parçacık) bu ölçümün kuantum kütle çekiminden hala “milyonlarca mil uzakta” olduğunu vurgulamaktadır.
Oosterkamp, “Bunun kuantum kütleçekim etkilerini ölçmeye doğru atılmış bir adım olduğunu söylüyor” diyor.
Bu etkileri ölçmek, kuantum kütleçekimini daha iyi anlamak için önemli bir başlangıç olabilir. Bu, evrenin nasıl oluştuğu hakkında daha fazla bilgi verebilir.
Yerçekimi Etkileri
Yerçekimi etkilerini sese benzetebilirsiniz. Bir ses kaydedici, arka plan gürültüsünü filtrelemek için daha hassas olmalıdır. Benzer şekilde, yerçekimi kuvveti daha küçük nesnelerde daha “sessizdir”.
Oosterkamp ve meslektaşları, 0,43 miligramlık parçacıklardaki yerçekimi kuvvetini “duymak” için, parçacıkların çarpışması ve vızıldaması gibi termal enerji üreten rastgele hareketler gibi yerçekimi dışı titreşimleri filtreleyerek bir deney tasarladılar. Deney ne kadar soğuk olursa, ortadan kaldırılacak o kadar az boş titreşim olur.
Bu hassasiyeti artırmak için ekip, termal enerjiyi azaltmak için bir seyreltme soğutucusu (kuantum bilgisayarları soğutmaya benzer), çevresel titreşimleri emmek için bir kütle-yay sistemi ve küçük parçacığı havada tutmak için bir süperiletken “tuzak” kullandı.
Havada asılı kalan parçacık için yerçekimi kuvveti oluşturmak için yakınlara ikinci bir 2,4 kilogramlık kaynak kütlesi yerleştirildi. Bu tür bir deneyde iki nesnenin kütlesi gereklidir, böylece bir kaynağın yerçekimi kuvveti diğer kaynağın yerçekimi kuvvetine etki edebilir (örneğin, Ay ve Dünya gibi).
Oosterkamp’a göre, bu sonucu farklı kılan şey, bu aletin bu kadar aşırı soğuk (mutlak sıfıra veya -273.15 santigrat dereceye çok yakın) bir ortamda çalışmasıdır. Ek olarak, en başından itibaren deneyin asla gerçekleşmeyeceğini düşünüyor.
Oosterkamp, bunun gerçekten işe yaraması beklenmedik bir şeydi. Emekli bir meslektaşım laboratuvarı tekrar ziyaret ettiğinde, çabalarımı ona gösterdim ve seyreltme buzdolabımızdaki bu çok soğuk plakadan sarkan tüm bu kütleleri ve yayları gördü. “Bu Noel ağacını bile soğutabileceğinizi neden bekliyorsunuz?” diye sordu.”
Aşırı titreşimleri önlemek için alınan bu önlemler, havada asılı kalan test parçacığı üzerinde otuz attoNewton’luk bir kütle çekim kuvveti ölçmeyi mümkün kıldı.
UC Berkeley’de teorik fizik profesörü olan Yasunori Nomura, kuantum teorisi ve kuantum yer çekimine odaklanır. Nomura, bu deneysel tasarımın daha küçük parçacıklar üzerindeki yer çekimi kuvvetlerini ayırma yeteneğine sahip olabileceğini söylüyor. Bununla birlikte, kuantum yer çekiminin kendisini ölçmeye çalışırken hala sınırlamaları olabileceğini söylüyor.
Nomura, “Bu ölçüm, gerçek bir kuantum rejiminde kütle çekim kuvvetlerini doğrudan gözlemlemeye doğru atılmış bir adımdır” diyor. Yine de, kuantum kütle çekiminin etkilerinin yalnızca son derece küçük ölçeklerde önemli hale geldiğine inanılması bir sorun oluşturuyor. Nomura, süperiletken tuzaklarda küçük bir kütleyi havaya kaldırmak da dahil olmak üzere, mevcut ölçüm teknikleriyle bu ölçeklere ulaşmak imkansızdır.
Nomura, kuantum çekimini ölçmek için küçük parçacıkları doğrudan ölçmekten kaçınan alternatifler olduğunu söylüyor.
OOSTERKAMP’IN YERÇEKİMİ DETEKTÖRÜ yakın gelecekte kuantum yerçekimi etkilerini ölçmese de, büyük yerçekimi etkilerini belirlemede bir rol oynayabileceğini umuyor. Özellikle, çarpışan kara delikler gibi önemli yerçekimi olaylarının uzay-zamandaki dalgalanma üzerindeki etkilerini araştıran deneylerin hassasiyetini artırmak için bir araç olarak kullanmayı umuyor.
Oosterkamp, “LIGO/VIRGO‘nun halefini, yani Einstein Teleskobu’nu inşa etmeyi umuyoruz.” Yeni nesil bir kütleçekim dalgası dedektörü olan bu teleskopun Avrupa’da 2030’ların ortalarında inşa edilmesi planlanıyor. LIGO/VIRGO ekibi bize daha düşük titreşimler hakkında bilgi verebilir ve soğuyan şeyler hakkında bilgi verebiliriz.”
CalTech’te fizik profesörü olan Rana Adhikari, LIGO’ya katkıda bulunmuştur. Gelecekteki kütleçekim dalgası dedektörlerinde soğutma yoluyla titreşimleri nasıl sınırlayacağımızı öğrenmenin çok önemli olacağını kabul ediyor.
Adhikari, “Bu çalışmanın en ilginç kısmı, bu kadar düşük sıcaklığı ve ivmelenme seslerini koruyabilmeleri.” Gelecekteki kütleçekim dalgası dedektörlerinin, “soğuk koşullar altında” çalıştırılması gerekecek. Bu kadar düşük bir sıcaklıkta çalışmak, termodinamik gürültünün neredeyse tamamını ortadan kaldıracaktır.”
Adhikari, Oosterkamp’ın çalışması henüz kuantum çekimini ölçmeye yönelik net bir yöntem sunmasa da, bunun dünyayı değiştirecek bu bilimsel keşfin kilidini açacak bulmacanın parçalarından biri olduğunu söylüyor.
Adhikari’ye göre, bu çalışma deneysel yaratıcılığın evrenin ölçümlerini yeni bir şekilde yapmaya nasıl yol açabileceğinin harika bir örneğidir. Kuantum yerçekimine giden yol, daha hassas deneylerle süslenecek.
Kaynak:
https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adk2949
Derleyen: Atalay Bozdoğan – Akdeniz Üniversitesi Makine Mühendisliği Öğrencisi
