پایان دوران حکمرانی اصل عدم قطعیت هایزنبرگ در آزمایشگاه‌ها!

محققان مرکز تحقیقاتی ICFO از کشف تکنیک جدیدی خبر داده‌اند که می‌تواند حساسیت دستگاه‌هایی مانند رزونانس مغناطیس هسته‌ایی (MRI) و ساعت‌های اتمی را حد زیادی بهبود بخشد. در پژوهشی که اخیرا در مجله Nature منتشر شد، دانشمندان روشی برای نادیده گرفتن اصل عدم قطعیت هایزنبرگ گزارش کردند. در این روش، عدم قطعیت کوانتومی در ویژگی‌های اتمی توسط دستگاه مورد نظر نادیده گرفته می‌شود تا امکان اندازه‌گیری با دقت بسیار بالا برای دانشمندان فراهم گردد. با دیپ لوک همراه باشید…

دستگاه‌هایی مانند MRI و ساعت‌های اتمی، توانایی اندازه گیری با دقت بسیار بالا را دارند. دستگاه MRI می‌تواند از درونی‌ترین بافت‌های بدن انسان با دقت بسیار بالایی، تصویربرداری کرده و اطلاعات مفیدی در مورد وضعیت بافت موردنظر فراهم کند. از طرفی ساعت‌های اتمی، زمان سنج‌های بسیار دقیقی هستند که در GPS، هماهنگ‌سازی اینترنت و تداخل امواج رادیویی نجومی مورد استفاده قرار می‌گیرند.

در نگاه اول به نظر می‌رسد که این دو ابزار اندازه‌گیری، هیچ گونه ارتباطی با یکدیگر ندارند، اما دارند! هر دو فناوری ذکرشده، بر اساس اندازه‌گیری دقیق اسپین اتم‌ها (حرکت ژیروسکوپی الکترون‌ها و هسته‌ی اتم‌ها) طراحی شده‌اند. مثلا در MRI، اندازه‌گیری زاویه‌ی اسپینی (چرخشی)، اطلاعاتی در مورد مکان دقیق اتم‌ها در بدن فراهم می‌کند در صورتی که از اندازه‌گیری مقدار اسپین (دامنه) برای تشخیص انواع مختلف بافت های بدن استفاده می‌شود. با ترکیب اطلاعات به‌دست آمده از این دو اندازه‌گیری، دستگاه MRI قادر به تهیه‌ی یک نقشه‌ی سه بُعدی از بافت مورد بررسی خواهد بود.

حساسیت این نوع اندازه‌گیری‌ها به علت اصل عدم قطعیت هایزنبرگ دارای محدودیت‌های اساسی است. به عنوان مثال اگر بخواهیم مکان دقیق یک الکترون را با دقت بالا اندازه‌گیری نماییم اصل عدم قطعیت هایزنبرگ برای دقت اندازه‌گیری میزان تکانه الکترون، محدودیت ایجاد می‌نماید. از آنجایی که اغلب دستگاه‌های اتمی هر دو ویژگی دامنه اسپین و زاویه اسپینی را اندازه‌گیری می‌کنند، همواره اندازه‌گیری‌ها با مقداری عدم قطعیت کوانتومی همراه خواهد بود. حالا محققان موسسه ICFO، چگونگی طراحی دستگاه‌هایی که در آن‌ها می‌توان به طور کامل از عدم قطعیت کوانتومی اجتناب نمود را گزاش کرده‌اند.

نکته‌ای که دانشمندان برای حل این مسئله در نظر گرفتند توجه به دو زاویه اسپینی برای هر الکترون است. زاویه اسپینی دارای دو جهت مشخص می‌باشد: جهت نخست، شمال-شرق-جنوب-غرب و جهت دیگر در در نظر گرفتن جهت نخست با توجه به ارتفاع از افق. محققان نشان دادند چگونه می‌توان تمام عدم قطعیت‌ها را در زاویه‌ای قرار داد که توسط دستگاه قابل اندازه‌گیری نباشد. اگرچه در این روش اصل عدم قطعیت همچنان رعایت می‌شود، اما این عدم قطعیت در جایی پنهان شده و هیچ آسیبی به اندازه‌گیری وارد نمی‌کند. یکی از محققان می‌گوید:

اصل عدم قطعیت برای دانشمندان،  بسیار ناامید کننده است! ما علاقه داریم تا در مورد هر چیزی بیشتر بدانیم، اما اصل عدم قطعیت هایزنبرگ به ما می‌گوید این امکان وجود ندارد! حالا ما به روشی دست یافته‌ایم که می‌توانیم در مورد هر چیزی، اطلاعات جمع آوری کنیم.

در این روش، دانشمندان ابتدا ابری از اتم‌ها را تا دمای حدود میکروکلوین سرد کردند. سپس از یک میدان مغناطیسی برای تولید حرکت‌های اسپینی (مانند آنچه در MRI صورت می‌گیرد) استفاده کردند. در مرحله‌ی بعد با از بین بردن ابر الکترونی از طریق لیزر، جهت‌گیری اسپین اتم‌ها اندازه‌گیری شد. محققان مشاهده کردند که هر دو زاویه چرخش و عدم قطعیت می‌تواند به طور مداوم با حساسیتی فراتر از محدودیت مورد انتظار، اندازه‌گیری شود، اگر چه هنوز اصل عدم قطعیت هایزنبرگ حمکرانی می‌کند!

با توجه به چالش های پیش رو در انجام آزمایش، ما مجبور بودیم تا ابتدا مطالعات نظری را در مورد امکان انجام چنین کاری انجام دهیم. در نتیجه با توجه به اینکه تکنولوژی‌های موجود برای این آزمایش، کافی نبود، مجبور به طراحی آشکارساز‌های بسیار سریع با میزان نویز بسیار پائین شدیم و در این راه مجبور به بهبود روش‌های آماده سازی اتم‌ها و یافتن روشی موثر برای استفاده مناسب از تمام محدوده دینامیکی موجود در آشکارساز شدیم.

نتایج حاصل از این مطالعه، بسیار مهم هستند. این آزمایش نشان می‌دهد اگرچه اصل عدم قطعیت هایزنبرک یکی از بازیگران اصلی مکانیک کوانتومی روی کاغذ است، اما در آزمایشگاه می‌توان به دوران حکومت آن پایان داد! نتایج این پژوهش، کاربردهای بسیار هیجان انگیزی خواهد داشت، چرا که مسیر جدیدی را برای طراحی دستگاه‌هایی با حساسیت های بالاتر باز می‌کند، آشکارسازهایی که قادر به آشکارسازی سیگنال های ناشی از امواج گرانشی و یا فعالیت‌های مغزی با دقت غیر قابل پیش‌بینی هستند.

مقاله اصلی را در زیر مشاهده کنید:

[gview file=”http://www.deeplook.ir/wp-content/uploads/2017/03/10.1038@nature21434.pdf” profile=”3″ save=”1″]