این روزها،‌ واژه‌ی کوانتوم، مترادف شده با مفاهیم عجیب و غریبی که به هیچ وجه با عقل سلیم ماکروسکوپی ما جور درنمی‌آیند. در این مقاله، باز هم سروکله‌ی یکی از این ویژگی‌های عجیب پیدا شده است. تا حالا شده وقتی یک ماشین را به سمت جلو هل می‌دهید، به سمت عقب حرکت کند؟ قطعا نه! اما در دنیای کوانتومی،‌دقیقا چنین اتفاقی رخ می‌دهد. این ویژگی که جریان برگشتی نام دارد، حالا توسط دانشمندان برای تمام ذرات کوانتومی، اثبات شده است. نتیجه‌ی این پژوهش، سه روز پیش در مجله Physical Review A منتشر شد. با دیپ لوک همراه باشید…

جریان برگشتی (backflow)، پدیده‌ای کوانتومی است و زمانی اتفاق می‌افتد که حرکت ذره‌ی آزاد کوانتومی را در یک بعد، در نظر بگیریم. ذره‌ی آزاد (Free particle) ذره‌ای است که تحت تاثیر هیچ نیروی خارجی نباشد. اگر در حالتی که فقط جهت مثبت، در اختیار باشد، ذره در جهت مخالف با فشاری که به آن وارد می‌شود، حرکت کند، به آن جریان برگشتی می‌گوییم (اثر مشابهی را قبلا در مورد جرم منفی دیده بودیم). در زندگی روزمره، اشیا در همان جهت تکانه‌ی خود حرکت می‌کنند، اما این امر دیگر در مقیاس‌های میکروسکوپی درست نیست. ریاضیدانان دانشگاه‌های یورک، مونیخ و کاردیف‌،‌این ویژگی منحصر بفرد را در ذرات کوانتومی شناسایی کرده‌اند. ذرات کوانتومی می‌توانند تا حدی به سمت عقب برگردند و در جهت مخالف تکانه‌ی خود حرکت کنند.

این اولین باری است که چنین خاصیتی در ذره‌ای تحت تاثیر نیروهای خارجی، پیدا شده است. قبلا دانشمندان از این حرکت، تنها در ذرات آزاد کوانتومی آگاه بودند. محققان همچنین با استفاده از ترکیبی از روش‌های تحلیلی و عددی، برآوردهای دقیقی درباره‌ی قدرت این پدیده به دست آوردند. این نتایج نشان می‌دهد جریان برگشتی همیشه وجود دارد، اما یک اثر نسبتا جزئی است. جزئی بودن این اثر می‌تواند دلیلی برای توضیح اینکه چرا تاکنون اندازه گیری نشده، باشد. این کشف راه را برای تحقیق بیشتر در مکانیک کوانتومی هموار می‌کند و می‌تواند در آزمایش‌های آینده در زمینه‌های فناوری کوانتومی مانند رمزگذاری رایانه‌ای مورد استفاده قرار گیرد.

جریان برگشتی ، منحصر به ذرات کوانتومی

دکتر هنینگ بوستلمن (Henning Bostelmann)، پژوهشگر گروه ریاضی دانشکده‌ی یورک گفت:

این تجزیه و تحلیل نظری جدید در زمینه‌ی ذرات مکانیک کوانتومی نشان می‌دهد که جریان برگشتی در فیزیک کوانتومی در همه جا حضور دارد. ما نشان داده‌ایم که جریان برگشتی همیشه می‌تواند رخ دهد؛ حتی اگر نیرو بر روی ذرات کوانتومیِ در حال حرکت، اعمال شود. اثر جریان برگشتی، حاصل دوگانگی موج-ذره و ماهیت احتمالاتی مکانیک کوانتومی است و در حال حاضر در مورد حرکت بدون نیرو، به خوبی درک شده است.

دکتر گندالف لکنر (Gandalf Lechner)، محقق دانشکده‌ی ریاضی دانشگاه کاردیف گفت:

البته نیروها نیز می‌توانند ذرات را وادار کنند تا به عقب برگردند، یعنی نیرو‌ها می‌توانند ذرات را منعکس کنند و همین امر به طور طبیعی موجب افزایش جریان برگشتی می‌شود. اما می‌توانیم نشان دهیم که حتی در یک محیط کاملا عاری از بازتاب دهنده، جریان برگشتی اتفاق می‌افتد. از سوی دیگر، ما دریافتیم که در صورت وجود بازتاب، جریان برگشتی به صورت یک اثر جزئی باقی مانده و مقدار آن می‌تواند تخمین زده ‌شود.

نیروهای خارجی

دکتر دنیلا کادامورو (Daniela Cadamuro)، محقق دانشگاه فنی مونیخ گفت:

اثر جریان برگشتی در مکانیک کوانتومی مدت زمان زیادی است که شناخته شده، اما همیشه در مورد ذرات کوانتومی آزاد مورد بحث قرار گرفته است. اثر جریان برگشتی در ذرات کوانتومی آزاد به دلیل حالت غیر واقعی آن‌ها آرمان‌گرایانه است، ولی ما نشان داده‌ایم که جریان برگشتی در حضور نیروهای خارجی هم رخ می‌دهد. این بدان معنی است که نیروهای خارجی اثر جریان برگشتی را از بین نمی‌برند: کشف جدیدی که هیجان انگیز است. این یافته‌ها ما را قادر می‌کند تا پیکربندی مطلوبی از یک ذره‌ی کوانتومی با حداکثر مقدار جریان برگشتی را کشف کنیم که برای تحقیقات تجربی آینده مهم است.