مشاهده‌ی بازگشت پوانکاره و رفتار جادویی ذرات در سیستم‌های کوانتومی

شاید یکی از نتایج شگفت آور فیزیک، بازگشت کامل سیستم پیچیده‌ای که به حال خود رها شده، به حالت اولیه‌اش باشد. به عنوان مثال، ذرات گازی که به طور آشوبناکی در یک مخزن حرکت می‌کنند، پس از مدتی دقیقا به حالت اولیه خود بازمی‌گردند که به عنوان قضیه بازگشت پوانکاره (Poincaré recurrence) شناخته می‌شود. این قضیه، پایه و اساس نظریه‌ی آشوب مدرن به شمار می‌رود. دانشمندان مدت‌هاست در تلاشند تا از این قضیه در جهان کوانتومی استفاده کنند. در حال حاضر، محققان دانشکاه تکنولوژی وین موفق به تحقق این امر شده و نوعی بازگشت پوانکاره را در یک سیستم کوانتومی چند ذره‌ای مشاهده کرده‌اند. نتایج این مطالعه در مجله معتبر Science منتشر شده است. با دیپ لوک همراه باشید…

در اواخر قرن نوزدهم، دانشمند فرانسوی هنری پوانکاره (Henri Poincaré) به مطالعه‌ی سیستم‌هایی پرداخت که امکان بررسی و تجزیه دقیق آن‌ها وجود نداشت، به عنوان مثال، سیستم‌های خورشیدی دارای تعداد زیادی سیاره و سیارک‌، یا ذرات گازی به یکدیگر همبسته‌اند. نتیجه‌ی این بررسی‌های شگفت آور این بود: هر حالتی که وجود آن، از لحاظ فیزیکی، ممکن باشد، با تقریب بسیار خوبی، توسط سیستم، اشغال خواهد شد. پس از مدتی، برخی ذرات به شکل کاملا تصادفی، در یک خط مستقیم قرار خواهند گرفت. ذرات گاز درون جعبه، الگوهای جالبی ایجاد خواهند کرد یا به حالت اولیه‌ی آغاز آزمایش، بازخواهند گشت.

فرضیه مشابهی را نیز می‌توان برای سیستم‌های کوانتومی در نظر گرفت، اگرچه آنها از قوانین متفاوتی پیروی می‌کنند. محققان می‌گویند:

ما باید در فیزیک کوانتومی، یک راه کاملا جدید برای بررسی این مسئله ارائه کنیم. به دلایل بسیار اساسی، اندازه‌گیری حالت یک سیستم بزرگ کوانتومی که شامل تعداد زیادی ذره است، امکان‌پذیر نخواهد بود. علاوه بر این، ذرات را نمی‌توان به عنوان اشیای مستقل در نظر گرفت و باید به این نکته توجه کرد که ما با یک سیستم کوانتومی درهم تنیده، سروکار داریم.

تلاش‌های زیادی برای اثبات بازگشت پوانکاره در سیستم‌های کوانتومی صورت گرفته، اما تاکنون امکان اندازه‌گیری دقیق حالت‌های ممکن، تنها برای سیستم‌هایی با تعداد کمی ذره، امکان‌پذیر شده است. انجام این عمل، بسیار پیچیده بوده و زمان لازم برای بازگشت سیستم به حالت اولیه آن، به طور چشمگیری با تعداد ذرات افزایش می‌یابد. دانشمندان می‌گویند:

ما به حالت درونی کامل یک سیستم که به هیچ وجه قابل اندازه گیری نیست، علاقمند نیستیم، بلکه در عوض ما می خواهیم بپرسیم: کدام کمیت‌ها را می‌توانیم مشاهده کنیم که اطلاعات جالبی در مورد سیستم به عنوان یک کل، در اختیار ما قرار دهند؟ و آیا زمانی برای بازگشت این کمیت‌های جمعی به مقادیر اولیه‌شان وجود دارد؟

دانشمندان برای پاسخ به این سوالات، رفتار گاز‌های مافوق سرد را (شامل هزاران اتم که توسط میدان های الکترومغناطیسی در سطح یک تراشه نگه داشته می‌شدند) مورد مطالعه قرار دادند. کمیت‌های مختلفی از قبیل طول همدوسی در گاز و توابع همبستگی بین نقاط مختلف در فضا برای توصیف ویژگی این گاز کوانتومی وجود دارد. این پارامترها به ما می گویند میزان ارتباط ذرات تحت تاثیر اثرات کوانتومی، چقدر است؟ در حالت عادی دانستن این کمیت‌ها اهمیتی ندارند، اما برای سیستم‌های کوانتومی، بسیار حیاتی هستند.

کشف بازگشت پوانکاره در کمیت‌های جمعی

اندازه‌گیری چنین کمیت‌هایی که مختص یک ذره منفرد نبوده، بلکه بیانگر ویژگی‌های سیستم به صورت کل هستند، امکان مشاهده بازگشت کوانتومی طولانی مدت، به شکلی مطلوب را فراهم می‌کنند. به علاوه، با استفاده از تراشه‌های اتمی می‌توان زمان بازگشت سیستم به یک حالت خاص را نیز تحت تاثیر قرار داد. محققان می‌گویند:

با اندازه‌گیری چنین بازگشت‌هایی، اطلاعات بسیار زیادی در مورد دینامیک جمعی اتم‌ها یاد خواهیم گرفت. به عنوان مثال می‌توان اطلاعات جالبی در مورد سرعت صوت در محیط گازی یا پدیده‌ی پراکندگی موج‌های متراکم بدست آورد.

بر اساس این یافته‌ها، پاسخ به یک سوال قدیمی در مورد امکان بازآرایی در سیستم‌های کوانتومی، مثبت خواهد بود، اگرچه تعریف مفهوم بازگشت، نیاز به کمی تغییر دارد. بهتر است به جای تلاش برای تعیین دقیق حالت داخلی یک سیستم کوانتومی که به هر حال قابل اندازه گیری نیست، بیشتر بر کمیت‌هایی که امکان اندازه‌گیری آن‌ها در آزمایش‌های کوانتومی وجود دارد، تمرکز شود. این کمیت‌ها را می‌توان زمانی که از مقادیر اولیه خود دور شده یا به حالت اولیه خود باز می‌گردند، به راحتی مشاهده کرد.