شگفتی یک آزمایش دویست ساله بیشتر شد: مشاهده مسیرهای حلقه ای در آزمایش سه شکاف!

0
فیزیکدانان برای اولین بار، نسخه تغییر یافته ای از آزمایش ۲۰۰ ساله دوشکاف را انجام دادند. در این آزمایش هیجان انگیز، فوتون ها، مسیرهای حلقه ای عجیب و غریبی را طی کردند. مسیر حلقه ای به این معناست که فوتون ها، از یک شکاف عبور کرده و سپس دور می زنند و از طریق شکاف دیگر برمی گردند یا گاهی، دوباره دور زده و این بار از طریق شکاف سوم، برمی گردند. نکته جالبی که در این مورد وجود دارد این است که این مسیرهای حلقه ای، الگوی تداخلی کلی را بسیار جالب می کنند که از اصل برهم نهی، انحراف نشان می دهد. این انحراف آشکار را می توان به عنوان کاربرد نادرست اصل برهم نهی درک کرد؛ اما وقتی تداخل اضافه ی بین مسیرهای مستقیم و حلقه ای، درنظر گرفته شود، می توان اصل برهم نهی را به درستی، به کار برد. محققان نتیجه این آزمایش جالب را در جدیدترین شماره ژورنال معتبر Nature Communications منتشر کردند. با دیپ لوک همراه باشید…

محققان این پروژه می گویند: کار ما، نخستین مشاهده آزمایشگاهی مسیرهای حلقه ای است. آشکارسازی مسیرهای حلقه ای، بسیار دشوار است، زیرا آنها با احتمال بسیار کمی، رخ می دهند. اگرچه محققان قبلا وجود چنین مسیرهای عجیبی را اعلام کرده بودند، اما مشاهده آنها با شکست مواجه شده بود. این بار دانشمندان برای افزایش احتمال رخ دادن مسیرهای حلقه ای، ساختاری با سه شکاف طراحی کردند که دارای یک سطح پلاسمونی است که دانشمندان آن را به عنوان میدان های الکترومغناطیسی بشدت محدود شده ای توصیف می کنند که می توانند در سطح فلزات وجود داشته باشند. حضور این میدان های الکترومغناطیسی نزدیک این سه شکاف، اختمال رخ دادن مسیرهای حلقه ای را برای الگوی تداخل سراسری، دوبرابر می کند. ما یک توضیح فیزیکی داریم که احتمال رخداد این مسیرهای عجیب را به میدان های الکترومغناطیسی اطراف شکاف ها، ارتباط می دهد. به این ترتیب، می توانیم با افزایش قدرت میدان های نزدیک شکاف ها، احتمال رخداد مسیرهای حلقه ای را افزایش دهیم.

اصل برهم نهی و مسیرهای حلقه ای

آزمایش جدید سه شکاف با مسیرهای حلقه ای، تنها یکی از تغییراتی است که می توان در آزمایش دو شکاف اصلی که نخستین بار توسط توماس یانگ در سال ۱۸۰۱ انجام شد، ایجاد کرد؛ چرا که محققان پس از آن، از الکترون ها، اتم ها یا ملکول ها به جای فوتون ها، استفاده کردند. یکی از دلایل مورد توجه قرار گرفتن آزمایش دو شکاف، نمود آشکار اصل برهم نهی کوانتومی است. در واقع از آنجایی که هر ذره، می تواند یک الگوی تداخلی ایجاد کند، نتیجه می گیریم که به طور همزمان از هر دو شکاف، عبور کرده؛ و همانطور که بارها اشاره کرده ایم امکان وجود داشتن به طور همزمان در دو حالت، برهم نهی کوانتومی، نام دارد.

تمام نسخه های قبلی آزمایش دو شکاف، نتایجی تولید کرده اند که کاملا با اصل برهم نهی، سازگارند؛ اما در مورد مسیرهای حلقه ای اینطور نیست! از آنجاییکه احتمال رخداد این مسیرهای حلقه ای در شرایط عادی، بسیار کم است، سهم آنها در الگوی تداخلی کلی، معمولا ناچیز است. در نتیجه، در اکثر موارد، به کاربردن اصل برهم نهی، تقریب بسیار خوبی است. اما قرار نیست شرایط همیشه عادی باشند! وقتی الگوی تداخلی کلی، دیگر حاصل برهم نهی توابع موج جداگانه ی فوتون های با مسیرهای مستقیم نیست، نمی توان الگوی تداخلی را کاملا با اصل برهم نهی توصیف کرد. در واقع در این حالت، سهم مسیرهای حلقه ای در الگوی تداخلی، ناچیز و قابل چشم پوشی نیست.

جزییات آزمایش سه شکاف با مسیرهای حلقه ای

از توضیحات بالا، نباید در مورد اصل برهم نهی شک کنید! در واقع اصل برهم نهی، همیشه معتبر است، اما چیزی که همیشه معتبر نیست، کاربرد غیردقیق آن در مورد یک سیستم با دو یا سه شکاف است. در دو قرن اخیر، دانشمندان بر این باور بوده اند که اگر فقط یک شکاف در یک تداخل سنج دو یا سه شکافی، استفاده شود، الگوی داخلی مشاهده نمی شود، زیرا شهود ما می گوید یک شکاف، تداخلیایجاد نخواهد کرد! اما دانشمندان در این پژوهش، نشان دادند کوانتوم، باز هم شهود ما را به چالش می کشد: آنها می گویند این باور، تنها در صورتی درست است که بتوانیم از مسیرهای حلقه ای فوتون ها، چشم پوشی کنیم. به طور شگفت انگیزی، حتی اگر فقط یک شکاف تداخل سنج را استفاده کنیم، فوتون های با مسیر مستقیم با فوتون های با مسیر حلقه ای تداخل کرده و یک الگوی تداخلی را می سازند! حتی در این مورد هم می توانیم اصل برهم نهی را، با جمع یا برهم نهی دو تابع موج، که یکی مسیر مستقیم و دیگری مسیر حلقه ای را توصیف می کند، به کار ببریم. اگر مسیرهای حلقه ای را در نظر نگیریم، کاربرد اصل برهم نهی، نادرست خواهد بود.

این آزمایش، علاوه بر اینکه درک دانشمندان را در مورد اصل برهم نهی، ژرف تر می کند، ویژگی های جدیدی از نور را نشان می دهد که می تواند در شبیه سازهای کوانتومی و سایر تکنولوژی هایی که بر پایه اثرات تداخلی کار می کنند، استفاده شوند. دانشمندان معتقدند این مسیرهای حلقه ای عجیب، تاثیر بسیار مهمی در مطالعه مکانیسم واهمدوسی در تداخل سنجی یا پیچیدگی ول گشت های کوانتومی، شبیه سازهای کوانتومی یا سایر الگوریتم های استفاده شده در محاسبات کوانتومی دارند.

دانلود مقاله اصلی به صورت PDF

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

ارسال نظر