Real Time Web Analytics تداخل کوانتومی و دسیسه‌های یک ذره برای شکست قانون نیوتن! | دیپ لوک

تداخل کوانتومی و دسیسه‌های یک ذره برای شکست قانون نیوتن!

4

مکانیک کلاسیک یا نیوتونی، اولین قوانین مدون و منظم ما برای درک حرکت اشیا بود، قوانینی که بیشتر پدیده‌های زندگی روزمره ما را به خوبی توضیح می‌دهند و از این نظر،‌کاملا برای ما قابل فهم‌اند. اما قوانین نیوتن از توضیح حرکت در دنیای اتم‌ها را ناتوانند و باید جای خود را به مکانیک کوانتومی بدهند. این چیزی است که حالا دانشمندان به عینه در آزمایشان مشاهده کرده‌اند. وقتی همسبتگی و تداخل کوانتومی با یکدیگر ترکیب شوند، اتفاقات عجیبی رخ می‌دهند که شاید نیوتن در خواب هم نمی‌دید! نتیجه این پژوهش، دیروز در مجله معتبر Science منتشر شد. با دیپ لوک همراه باشید…

همه‌ی ما این داستان مشهور را شنیده‌ایم: سیبی از درخت افتاد و الهام‌بخش اسحاق نیوتون برای فرمول‌بندی مکانیک کلاسیک شد، نظریه‌ای که حرکت اشیای تحت تاثیر نیروهای کلاسیکی را توصیف می‌کند. همه‌ی ما با معادلات سه‌ گانه نیوتون آشنا هستیم. قانون اول نیوتن (همان قانون لختی یا اینرسی) می‌‌گوید یک جسم در حال حرکت، تا زمانیکه تحت تاثیر یک نیروی اختلالگر قرار نگیرد، به حرکتش در یک مسیر مستقیم ادامه می‌دهد. این قانون در سرتاسر زندگی ما حاضر است، از افتادن یک چترباز در میدان گرانشی زمین تا چرخش زمین به دور خورشید. شاید بهتر باشد بگوییم شهود ما نقش بسیار مهم و مفیدی در کشف قوانین دنیای ماکروسکوپی از جمله قوانین نیوتن داشته‌ است؛ اما در دنیای کوانتومی، قضیه کاملا برعکس است. در دنیای کوانتومی، شهود ما برای حرکت اشیا، بشدت به چالش کشیده شده و حتی برخی اوقات کاملا شکست می‌خورد. بنابراین گزاف نیست،‌ اگر مکانیک کوانتوم را یک نظریه‌ی شهودستیز بنامم. هرچند باید به این نکته توجه کنیم که در واقع هیچ چیز عجیبی وحود ندارد،‌ چرا که کوانتوم هم مانند هر بخش دیگری از طبیعت، به طور کاملا عادی، کار خودش را می‌کند؛ این شهود گمراه‌کننده‌ی ماست که مکانیک کوانتومی را یک نظریه عجیب و غریب، جلوه می‌دهد! و به نظرم تمام شکوه و زیبایی کوانتوم هم به آن دلیل است که ما انسان‌های ماکروسکوپی توانسته‌ایم نظریه‌ای برخلاف شهودمان کشف کنیم، نظریه‌ای که حتی با گذشت بیش از یک قرن،‌ نتوانسته‌ایم مغزمان را برای درک حقایقش، رام کنیم، اما شاید آیندگان بهتر از ما کوانتوم را متوجه شوند!

اجازه دهید به سراغ موضوع اصلی مقاله امروز برویم: یک آبشار کوچک را تصور کنید که یک تیله را در آن می‌اندازیم، اما تیله به جای آنکه یک مسیر مستقیم را به سمت پایین طی کند، مرتبا بالا و پایین رفته و در واقع در راستای عمودی، نوسان می‌کند. عجیب به نظر می‌رسد؟ اما این چیزی است که فیزیکدانان تجربی اینسبروک اتریش با همکاری فیزیکدانان نظری مونیخ، پاریس و کمبریج برای یک ذره کوانتومی به چشم دیده‌اند! این رفتار عجیب ناشی از چیزی است که دانشمندان آن را تداخل کوانتومی (quantum interference) می‌نامند. تداخل کوانتومی به ذرات اجازه می‌دهد تا درست مانند امواج حرکت کنند و بنابراین مانند امواج بتوانند تداخل مخرب یا سازنده داشته باشند.

نزدیک صفر مطلق

دانشمندان برای مشاهده‌ی یک ذره کوانتومی که مدام، عقب و جلو می‌رود (نوسان می‌کند)، مجبور بودند گازی از اتم‌های سزیم را تا نزدیک صفر مطلق، سرد کرده و سپس آن را در یک آرایش بسیار باریک لوله‌‌ای، محبوس کنند. محققان به کمک یک ترفند خاص، اتم‌ها را طوری ساختند که قویا با یکدیگر برهمکنش کنند. در چنین شرایط ویژه‌ای، اتم‌ها یک سیال کوانتومی می‌سازند که حرکتش به مسیر لوله‌ها محدود شده است. فیزیکدانان سپس یک اتم ناخالص (اتمی در حالت اسپینی متفاوت) را از طریق گاز، شتاب دادند. همانطور که این ذره کوانتومی حرکت می‌کرد، پخش ذرات گازی و انعکاس عقب‌‌و جلو رفتن‌ها مشاهده شد: یک حرکت نوسانی که دقیقا در تضاد با حرکت یک تیله هنگام افتادن از یک آبشار است! این آزمایش ثابت می‌کند که قوانین نیوتون در دنیای کوانتومی باید دور ریخته شوند!

شباهت سیال‌های کوانتومی و بلورها

این حقیقت که یک موج کوانتومی می‌تواند در مسیرهای معینی منعکس شود، از روزهای ابتدایی توسعه مکانیک کوانتومی شناخته شده بود، مثلا الکترون‌‌ها در الگوی منظم بلورهای یک جامد (مانند قطعه‌ای از یک فلز) منعکس می‌شوند. این اثر به عنوان پراکندگی براگ شناخته می‌شود. اما در این آزمایش عجیب، اصلا چنین بلوری برای انعکاس وجود نداشت! در عوض، این خود اتم‌ها بودند که با ایجاد یک آرایش مخفی (همان همبستگی کوانتومی)،‌نقش بلور را ایفا کردند. این پژوهش ثابت کرد که چگونه ترکیب همبستگی‌ها و تداخل کوانتومی ، حرکت ذرات را در دنیای کوانتومی هدایت کرده و منجر به پدیده‌های عجیب و متفاوت با دنیای ماکروسکوپی ما می‌شوند. درک اعجاب مکانیک کوانتومی می‌تواند به بهینه‌سازی فرآیندهای بنیادی در قطعات الکترونیکی یا حتی فرآیندهای انتقال سیستم‌های زیستی پیچیده کمک کند.

مقاله اصلی را در زیر مشاهده کنید:

دانلود این مقاله

زاده‌ی اردیبهشت ۶۹ و دانشجوی دکترای شیمی کوانتوم محاسباتی در دانشگاه شهید بهشتی است.او علاقمند به دنیای کوانتوم و تکنولوژی بوده و علاوه بر سردبیری دیپ لوک، به طراحی وب و نویسندگی در گجت نیوز و ماهنامه جی اس ام مشغول است.

گفتگو۴ دیدگاه

  1. با تشکر از مقالات که فهمان ازدنیا و هستی تا اندازی بهچالش می کشاند راستش من اصلا غیر از دبیرستان فیزیک نخواندم مکانیک که اصلا. اما به دیپ لوک علاقمندم وبه دوستان معرفی. می کنم دکتری حقوق بین‌الملل. و به فلسفه و طبیعت اشیا علاقه خاصی دارم که از این بابت که به فهم بیشتر موضوعات. کمک می کنی ممنون.. و خَسته نباشی میگم

  2. بسیار ممنون از مطالب ارزشمندی که در اختیار قرار میدهید ضمن قدر دانی از زحمات و اجازه از محضر شما ؛ آیا میتوانم این مطالب را در فیسبوک ارایه دهم ؟
    ضمنا”در صورت امکان آدرس منابع را در ذیل مطالب قید فرمایید (جهت ارایه در فیسبوک ) هرچند فایل های متون اصلی را در برخی موارد ارایه نموده اید لیکن آدرس یافت نشد با سپاس فراوان ….

    • از اظهار لطف شما به دیپ لوک سپاسگزارم. بله با ذکر منبع و لینک، هیچ مشکلی نداره و برای دیپ لوک، مفید هم هست. در مورد منابع مقالات تفصیلی، حتما لینک و نام سایت منبع در ابتدای نوشته ذکر شده و در مورد اخبار،‌ مقاله اصلی در پایان هر مطلب قرار داده شده

ارسال نظر

*