Evrenin en küçük ölçeklerini kuantum mekaniği, en büyük ölçeklerini ise Einstein'ın genel görelilik teorisi açıklıyor. Kuantum mekaniği, temel parçacıkların olasılıksal doğasını ortaya koyarken, genel görelilik uzay-zaman dokusunun kütle ve enerji tarafından nasıl bükülerek yerçekimini oluşturduğunu anlatır. Bu iki dev teori, modern teknolojinin temellerini oluşturan yarı iletkenlerden GPS sistemlerine kadar pek çok alanda hayatımıza dokunuyor.
Ancak, bu birbirinden başarılı ancak ayrı teorileri tek bir çatı altında birleştirmek, günümüz fiziğinin en büyük meydan okumalarından biri olmaya devam ediyor. Tıpkı zeytinyağı ve sirkeyi hardal yardımıyla lezzetli bir sos haline getirmeye çalışmak gibi...
Şimdi ise fizikçiler, kuantum dünyasının, yerçekiminin temelini oluşturan denklik ilkesinden etkilendiğine dair ilk doğrudan deneysel kanıtı sundu. Bu çığır açan çalışma, uzun süredir devam eden bir gizemin çözümüne ışık tutuyor.
Araştırmanın baş yazarlarından, Ben-Gurion Üniversitesi'nden kuantum fizikçisi Ron Folman, yaptığı açıklamada, "Bu benzersiz bir çalışma. Zorlu bir deneyi, evrenin anlaşılmasına yönelik en temel sorulardan birine dair geniş kapsamlı bir teorik yorumla birleştiriyor: Yerçekimi (Einstein'ın görelilik teorisi tarafından açıklanan) ve kuantum teorisi nasıl tek bir anlayışta birleştirilebilir?" ifadelerini kullandı.
Folman, "Modern fiziğin bu iki temel taşı, şimdiye kadar yapılan tüm birleşik teorik çerçeve çabalarından kaçtı. Ancak bu karmaşık deney, böylesine bir birleşmenin nasıl başarılabileceğine dair daha fazla ipucu sunuyor." dedi.
Denklik ilkesi, serbest düşüş halindeyken yerçekiminin kaybolması gerektiğini belirtir. Yani, bir asansörde serbest düşüş yaşayan biri ağırlıksızlık hisseder. NASA'nın da astronotlarını eğitirken kullandığı bu prensip, makroskopik cisimler için geçerliliğini kanıtlamıştır. Ancak kuantum nesnelerinin bu prensibe nasıl tepki vereceği, onların hem dalga hem de parçacık gibi davranma eğilimleri nedeniyle belirsizliğini koruyordu.
Bu çığır açıcı keşif, özel olarak tasarlanmış bir deneysel düzenek gerektirdi. Araştırmacılar, çeşitli bilim dallarında dalgaların birbirleriyle nasıl etkileşime girdiğini (zirvelerinin ve çukurlarının nasıl üst üste bindiğini) ölçmek için yaygın olarak kullanılan bir cihaz olan interferometrenin yeni bir versiyonunu geliştirdi. Bu cihaza "Kuantum Galileo İnterferometresi (KGI)" adını verdiler.
KGI düzeneği, atom çipi kullanarak bir manyetik alan oluşturur ve araştırmacıların, yaklaşık 20.000 rubidyum atomundan oluşan soğutulmuş bir bulutu tutmasına ve manipüle etmesine olanak tanır. Atomları mutlak sıfır (-273.15 Santigrat derece) civarına kadar soğutan araştırmacılar, bu atomları, atomların tekil davranışlarını bırakıp birleşik bir parçacık gibi davrandığı tuhaf bir madde türü olan Bose-Einstein Yoğunlaşması'na (BEC) dönüştürdü.
KGI, araştırmacıların kuantum düzeyindeki bir atomik özgünlüğü manipüle ederek benzersiz bir şey yapmalarını sağladı. Kuantum alanında atomlar ve diğer parçacıklar, "dalga paketleri" halinde dalgalar gibi hareket eder. KGI ile araştırmacılar, BEC ile ilişkili dalga paketini iki farklı yoldan gidecek şekilde böldü. Bir yolda, dalga paketi, yerçekimine tam olarak karşı koyan ve laboratuvar ile Dünya'ya göre sabit kalmasını sağlayan manyetik bir levitasyon kuvveti tarafından etkilenerek "Newtonian çerçevede hareketsiz" kaldı. Diğer yolda ise dalga paketi serbest düşüş halindeydi, yani "serbest düşen Einsteinian çerçevede hareketsiz"di. Bu, araştırmacıların, kuantum düzeyinde bir fırlatma topu gibi, yerçekimi altında serbestçe düşen bir dalga paketini manipüle ettiği anlamına geliyordu.
Araştırmacılar daha sonra, iki dalga paketindeki hız farklılıklarını ortadan kaldırarak, onların etkileşime girmesini ve böylece fazlarındaki herhangi bir değişikliği (zirvelerinin ve çukurlarının hizalanması) gösterebilmelerini sağlayan özdeş bir manyetik darbe kullandı. Bu işlem sonucunda, elde edilen sapma, yapılan tahminlerle eşleşti ve denklik ilkesinin kuantum alanında da geçerli olduğunu gösterdi.
Ancak araştırmacılar, bu sonucun kuantum mekaniği ve yerçekiminin aranan birleşimi olmadığını veya yerçekiminin kuantum olduğuna dair bir kanıt olmadığını vurguluyor. Bununla birlikte, bu çalışma daha ileri araştırmaların önünü açıyor. Örneğin, KGI'nin daha yüksek kütle yetenekleri, yerçekiminin kuanta (kesikli paketler) olarak hareket edebileceği gibi henüz dile getirilmiş bir hipotezi test etmeye olanak tanıyabilir. Bu, yerçekiminin düz ve sürekli bir alan veya bir kumaşın eğrisi olmak yerine, ışığın kuantaları olan fotonlar gibi, graviton adı verilen kesikli enerji paketlerinde dağılmış olabileceği anlamına gelir.
Oxford Üniversitesi Kuantum Bilgi Bilimi Profesörü ve çalışmanın ortak yazarlarından Vlatko Vedral, "Bu deney, kuantum mekaniğini en ilgi çekici sınırlardan biri olan yerçekimine doğru itiyor ve tahminlerinin bir kez daha doğru çıktığını gösteriyor." şeklinde konuştu.
Bu araştırma, Science Advances dergisinde yayımlanmıştır.
