یک گروه تحقیقاتی بین‌المللی ثابت کرده است که بخش موهومی مکانیک کوانتومی را می‌توان در آزمایش‌ها و در واقعیت نیز مشاهده کرد. فیزیکدانان تقریبا یک قرن، به دنبال پاسخ یک سوال اساسی بودند: چرا اعداد مختلط، اعداد شامل یک جز با عدد موهومی i، تا این حد در مکانیک کوانتومی مهم هستند؟ مقالاتی که اهمیت اعداد مختلط را در فیزیک کوانتومی توصیف می‌کنند به تازگی در مجلات Physical Review Letters و Physical Review A منتشر شده‌اند. با دیپ لوک همراه باشید…
پیش‌تر تصور می‌شد که بخش موهومی، تنها یک ترفند ریاضی برای تسهیل توصیف پدیده‌هاست و فقط نتایج بیان شده در بخش حقیقی معنای فیزیکی دارند. با این حال، یک گروه پژوهشی لهستانی-چینی-کانادایی ثابت کرده است که بخش موهومی مکانیک کوانتومی را می‌توان در عمل و در دنیای واقعی مشاهده کرد. ما باید ایده‌های ساده و خام خود را در مورد توانایی اعداد در توصیف جهان فیزیکی، به طور جدی بازسازی کنیم. تا به حال به نظر می‌رسید که تنها بخش حقیقی اعداد، مربوط به مقادیر فیزیکی قابل اندازه‌گیری هستند. تحقیقات انجام‌شده توسط تیم دکتر الکساندر استرلتسو(Alexander Streltsov)، از مرکز فناوری‌های اپتیکی کوانتومی (QOT) در دانشگاه ورشو(University of Warsaw)، با مشارکت دانشمندان دانشگاه علوم و فناوری چین (USTC) در هفئی و دانشگاه کلگری ، حالتهای کوانتومی فوتون‌های درهم‌تنیده‌ای را پیدا کرده‌است که بدون اعداد مختلط، قابل شناسایی نیستند. علاوه بر این، محققان آزمایشی انجام دادند که اهمیت اعداد مختلط را برای مکانیک کوانتومی تأیید می‌کند. دکتر استرلتسو توضیح می‌دهد:
پیش از این، اعداد مختلط را کاملا مربوط به حوزه ریاضی در نظر می‌گرفتیم. اگرچه آنها نقشی اساسی در معادلات مکانیک کوانتوم بازی می‌کنند، اما به عنوان ابزاری برای تسهیل محاسبات فیزیکدانان استفاده می‌شدند. اکنون، ما به لحاظ نظری و تجربی ثابت کرده‌ایم که حالتهای کوانتومی‌ای وجود دارند که تنها زمانی که در محاسبات از اعداد مختلط استفاده می‌کنیم، قابل تشخیص هستند.
اعداد مختلط از دو جز حقیقی و موهومی تشکیل شده‌اند. آنها به شکل a+ib هستند، که اعداد a و b بخش حقیقی هستند. مولفه ib مسئول ویژگی‌ها‌ی خاص اعداد مختلط است. در اینجا نقش کلیدی را عدد موهومی i که مجذور آن ۱- است، بازی می‌کند(۲ = -۱ ). در دنیای فیزیکی هیچ چیز وجود ندارد که بتواند با عدد موهومی i ارتباط مستقیم داشته باشد. اگر روی میز ۲ یا ۳ سیب وجود داشته باشد، این طبیعی است. اگر یک سیب روی میز باشد و آن را برداریم، می‌توان در مورد کمبود جسم صحبت کرده و آن را با عدد صحیح ۱- توصیف کنیم. همچنین می‌توانیم سیب را به دو یا سه قسمت تقسیم کنیم و معادل فیزیکی اعداد منطقی ۱/۲ یا ۱/۳ را بدست آوریم. اگر میز مربع کامل باشد(با طول واحد)، قطر آن جذر ۲ خواهد بود که یک عدد گنگ است. با این وجود و با داشتن مصمم‌ترین اراده جهان، هنوز نمی‌توان i سیب را روی میز گذاشت!
کار شگفت‌انگیز اعداد مختلط در فیزیک این است که می‌توان از آنها برای توصیف انواع نوسانات استفاده کرد؛ که این کار بسیار ساده‌تر از استفاده از توابع مثلثاتی مشهور می‌باشد. بنابراین محاسبات با استفاده از اعداد مختلط انجام می‌شود و سپس در پایان تنها اعداد حقیقی موجود در آنها در نظر گرفته می‌شود. در مقایسه با دیگر نظریه‌های فیزیکی، مکانیک کوانتومی به این دلیل خاص است که باید اشیایی را توصیف کند که تحت برخی شرایط می‌توانند مانند ذرات رفتار کنند و درشرایط دیگر مانند امواج هستند. معادله اساسی این نظریه، که به عنوان یک اصل موضوعه در نظر گرفته می شود، معادله شرودینگر است. معادله شرودینگر، تغییرات تابع خاصی را در زمان‌های مختلف توصیف می‌کند که تابع موج نامیده می‌شود؛ تابع موج به توزیع احتمال یافتن یک سیستم، در یک حالت خاص، مربوط است. با این حال، عدد موهومی i به طور آشکار در کنار تابع موج در معادله شرودینگر ظاهر می‌شود. دکتر استرلتسو با اشاره به اینکه تحقیقات او از سوی بنیاد علوم لهستان به لحاظ مالی حمایت شده است، می‌گوید:
دهه‌ها، این بحث وجود داشت که آیا می‌توان مکانیک کوانتومی پیوسته و کاملی را تنها با استفاده از اعداد حقیقی خلق کرد یا خیر. بنابراین، ما تصمیم گرفتیم که حالتهای کوانتومی را پیدا کنیم که تنها با استفاده از اعداد مختلط از هم متمایز می‌شوند. لحظه سرنوشت ساز، آزمایشی بود که در آن، ما این حالت‌ها را ایجاد کردیم و از نظر فیزیکی بررسی کردیم که آیا آنها قابل تشخیص هستند یا خیر.
آزمایش بررسی و تایید نقش اعداد مختلط در مکانیک کوانتومی را می‌توان در قالب یک بازی که توسط آلیس و باب و با مشارکت یک رئیس انجام می‌شود، ارائه داد. با استفاده از دستگاهی با لیزر و کریستال، رئیس بازی، دو فوتون را به یکی از دو حالت کوانتومی متصل می‌کند و بطور قطع نیاز به استفاده از اعداد مختلط برای تمایز بین آنها داریم. در ادامه یک فوتون به سمت آلیس و دیگری به سوی باب فرستاده می‌شود. هر یک از آنها فوتون خود را اندازه‌گیری می‌کنند، سپس با دیگری ارتباط برقرار می‌کنند تا هر گونه همبستگی موجود را برقرار کنند.
دکتر استرلتسو می‌گوید:
بیایید فرض کنیم که نتایج اندازه‌گیری‌های آلیس و باب فقط می‌توانند مقادیر ۰ یا ۱ را به خود اختصاص دهند. آلیس یک توالی غیرمنطقی از ۰ و ۱ را همانطور که باب می‌گوید می‌بیند. پس اگر آنها ارتباط برقرار کنند، می‌توانند پیوندهایی بین اندازه‌گیری‌های مربوطه برقرار کنند. اگر رئیس بازی برای آنها یک حالت همبسته ارسال کند، وقتی یکی نتیجه ۰ را می بیند، دیگری نیز همان نتیجه را مشاهده می‌کند. اگر آنها یک حالت غیرهمبسته دریافت کنند، وقتی آلیس ۰ را اندازه گیری می‌کند، باب ۱ را اندازه‌گیری خواهد کرد. با توافق دو جانبه، آلیس و باب می‌توانند حالت‌ها را از یکدیگر تفکیک کنند، اما تنها در صورتی که ماهیت کوانتومی آنها اساسا پیچیده باشد.
برای توصیف نظری از روشی معروف به نظریه منبع کوانتومی (quantum resource theory) استفاده شد. آزمایش، خود با تمایز محلی بین دو حالت فوتونی درهم تنیده در آزمایشگاه در هفئی، با استفاده از تکنیک‌های اپتیک خطی انجام شد. حالتهای کوانتومی که توسط محققان ایجاد شدند، قابل تشخیص بودند؛ این موضوع ثابت می کند اعداد مختلط، جزئی جدایی ناپذیر و غیرقابل حذف از مکانیک کوانتومی هستند.
دستاورد گروه تحقیقاتی لهستانی-چینی-کانادایی از اهمیت بنیادی برخوردار است، با این حال، چنان عمیق است که ممکن است به فناوری‌های جدید کوانتومی تبدیل شود. به طور خاص، تحقیق در مورد نقش اعداد مختلط در مکانیک کوانتومی می‌تواند به درک بهتر بازده رایانه‌های کوانتومی و ماشین‌های محاسباتی با کیفیت جدید، که قادر به حل برخی از مشکلات در سرعت های غیر قابل دستیابی توسط رایانه های کلاسیک هستند، کمک کند.
- منبع scitechdaily.com
گفتگو۶ دیدگاه
عددموهوم دیگردرموردموقعیت های موهوم است که وجودندارد.
واون تنها حالتی است که واقعا وجودندارد.
چه کسی میتونه بگه که موقعیت اون پایین وسکون وجودندارد.
عملا همه ی جهان اون بالا درفضا شناوراست.
پس اگربتوانیم دنبال یک موقعیت ثابت که درگردش نیست بگردیم وانرا پیدا گنیم…..
خانم ضرابی شاید مقاله اصلی نیز کمی گنگ توضیح داده وباشد و البته کوتاه، اما ای کاش شما و دوستان دیپ لوکی این ها را باز کنید. مثلا در این مورد درست مشخص نشد که آن حالت ملموس مختلط در کوانتوم کدام شکل است.
بخش‌های VI. IMAGINARITY AS A RESOURCE IN OPTICAL EXPERIMENTS و VII. (IMAGINARITY IN LOCAL STATE DISCRIMINATION) در مقاله Resource theory of imaginarity: quantification and state conversion به خوبی پاسخ سوال شما را داده است.
برای دسترسی راحت تر شما، لینک مقاله رو هم قرار میدهم :
https://arxiv.org/pdf/2103.01805.pdf
همچنین Theorem 2 در مقاله Operational Resource Theory of Imaginarity پاسخ داده است.
لینک مقاله : https://arxiv.org/pdf/2007.14847.pdf
این دو مقالاتی هستند که در لینک گذاشته شده پایین صفحه(https://scitechdaily.com/physicists-prove-that-the-imaginary-part-of-quantum-mechanics-really-exists/ )، به عنوان رفرنس قرار گرفته‌اند.
ممکنست در یک جمله بفرمایید فیزیک ماده چگال دقیقا به چه مواد و موضوعاتی می پردازد و اساسا ماده ی چگال در اینجا یعنی چه نوع ماده ای؟
سلام. توضیح در یک جمله فکر نمیکنم ممکن باشه!
چگال را به دو دسته تقسیم می‌کنند: ماده چگال سخت و ماده نرم.
در ماده چگال سخت، موادی با ساختار صلب مورد بررسی قرار می گیرد، مثل: شیشه‌ها، فلزات، نیم‌رساناها و عایق‌ها. کلمه سخت، مفهوم حضور نیروهای اتمی-مولکولی و اثرات مکانیک کوانتومی را می‌رساند.
در فیزیک ماده نرم با سیستم‌هایی مثل ژل‌ها، پلیمرها، کلوییدها، کریستال های مایع و مواد زیستی سر وکار داریم. این مواد به راحتی تحت تاثیر تنش‌های مکانیکی یا گرمایی تغییر حالت می‌دهند. با استفاده از مکانیک آماری (تعادلی و غیر تعادلی)، فیزیک کلاسیک و فیزیک بس‌ذره‌ای به مطالعه اثرات پدیده‌های مختلف روی مواد نرم می‌پردازند.
دسته بندی دیگری برای ماده چگال نیز وجود دارد: مطالعات تئوری، محاسباتی و شبیه‌سازی‌های کامپیوتری و روش‌های تجربی.
بخش نظری به مطالعه ساختارهای چگال می‌پردازد. مثلا بررسی ساختار بلورها و خواص آنها مثل خواص پیزوالکتریکی، رسانندگی الکتریکی، خواص اپتیکی، خواص سطحی بلورها و البته خواص ابررسانایی مواد.
بخش محاسباتی عموما با گرایش سیستم‌های پیچیده هم‌پوشانی دارد و غالبا شامل شبیه‌سازی مسائلی است که نظریه آنها پیش‌تر مطرح شده است ولی به هردلیلی ممکن است که نظریه جدیدی را هم مورد بررسی قرار دهند. عموما این بخش از فیزیک ماده چگال در موضوعات نوین بیوفیزیک نظیر سلول‌های سرطانی، رشد باکتری و همچنین فیزیک اقتصاد(نوسانات بازار بورس) فعالیت دارد.
بخش انتهایی،یعنی کاربردی فیزیک ماده چگال، را پلی بین فیزیک نظری و مهندسی می‌دانند. موضوعاتی نظیر ابررسانایی، قطعات نیمه هادی، سلول‌های خورشیدی، باتری‌ها، خازن‌ها، سنسورهای نور، بیوسنسورها و… از مواردی هستند که در بخش کاربردی بیشتر مورد بررسی قرار می‌گیرد.
امیدوارم توضیحات کافی بوده باشه:)
چه جالب . گاهی به چیزهایی فکر می کنم که به هم ارتباط دارند و می توانند موضوع جدید در دنیای علم جدید باشند. بعد از مدتی یا با جستجو یا تصادفی می بینم بله آن مبحث وجود دارد یا مبحث کاملا جدیدی است. راستش از فکر خودم خوشم می آید. مثلا چند سال قبل کوانتوم می دانستم راجع به چی بحث می کنه. فکر کردم باید در زیست شناسی و علوم مولکولی زیستی هم تاثیرات کوانتوم و احتمالات باشه. چون زیست و سلولها و رفتار اونها انقدر پیچیده است که با روابط علل و معلولی ساده تا حالا نتوانستن شرح بدن و هنوز بسیاری از پدیدها و تاثیرات شیمیایی رو نمی تونن دقیقا بفهمن یا کشف کنن یا توضیح بدن. یا این روابط چند عللی و معلولی بسیار پیچیدیه است. یه سرچ در اینترنت کردم دیدم بله کوانتوم زیستی که شاخه جدیدیه وجود داره. در همین سایت به رابطه سرطان و نوترونهای کوانتومی اشاره شده بود. عملکرد مغز و رابطه الکتریکی نورونها را از منظر کوانتومی دارن تحلیل می کنن. یعنی مغز بیشتر اینکه به یک کامپیوتر محاسبه گر امروزی شبیه باشه یک سیستم کوانتومی و تصادفی داره. داشتم چند دقیقه قبل راجع به آینده و گذشته و زمان در کوانتوم و علیت معکوس می خوندم یکدفعه بازار بورس و نوسانات در ذهنم جرقه زد. اینکه در حالی که هیچ کس از اینده و بالا یا پایین رفتن قیمت در یک ثانیه بعد هم خبر ندارن اما همه مشارکت کنندگان بطو تصادفی و احتمالاتی دارند تعیین می کنند بازار به چه سمتی بره و آینده رو اونها تعیین میکنن. شاید هم آینده بر رفتار اونها تاثیر داره. یعنی همان علیت معکوس.این بالا دیدم فیزیک اقتصاد(نوسانات بازار بورس) نوشته. سالها شاید بیش از سی ساله از دوره مدرسه در ذهنم یک سوال بود که رعد و برق و تخلیه بار الکتریکی از ابر تا زمین که کیلومترها فاصله دارند چطور مسیر با کمترین مقاومت الکتریکی رو طی می کنه.مگر رعد و برق هوش داره و می تونه محاسبه کنه کدوم مسیر بهینه است. در هر نقطه ای از مکان رعد هزاران مسیر وجود داره برای یافتن کمترین مقاومت باید اونا رو تک به تک تست کنه و بعد انتخاب کنه؟ اما این که نمی شه. همیشه با خودم با شگفتی به این مساله نگاه می کردم و غیر قابل هضم بود و میدونستم یک چیزی ورای اون موضوع ساده باید باشه. ن.عی رفتن به آینده الکترونهای تخلیه الکتریکی در ذهن من بود. متاسفانه اکثر دانشجویان همه فقط قانون را می پذیرند و فرمول را حفظ می کنند. اما قانون فیزیکی فقط یک کشف است از رفتار طبعیت. علت رفتار را کمتر کسی از خودش میپرسد و باز کمتر کسی دنبال ارتباطات و تشبهات در علوم و پدیده هاست.جریان آب را روی خاک همیشه می دیدم و من رو خیلی به فکر فرو میبرد. چطور کمترین مقاومت رو انتخاب می کنه و پیش میره. چطور مسیر رو تنظیم می کنه که انرژی پتانسیل رو به صفر برسونه. چطور سرعت و دبی و طول مسیر با هم هماهنگ هستد. مثل رودخانه که به دریا میریزه. خروشان که باشه مسیر و سرعت دیگه ای داره و وقتی رودخانه مسن شد پیچ و خم و مسیر خودش رو باسرعت و آرامش کمتر تنظیم کرده که باز همون افت انرژی رو بتونه برقرار کنه. همه می گن خوب قوانین هیدرولیکی در مورد سیال برقراره. اما این جواب فقط رفتار شناسی است. علت شناسی نیست. طبیعت همیشه بر اساس کمینه ها کار می کنه. امروزه صدها الگوریتم برای محاسبات بر مبنای رفتارهای طبیعی و به اسم اونها وجود داره. در همین سایت در یک مقاله که یادم نیست اشاره گذرایی کرده بود به همین کمینه سازی و همون مثال رعد رو برای مسیر نور زده بود. بازهم جالبه. یک موضوعی که نمی دونم و تحقیق نکردم که ایا به ذهن کسی رسیده یا نه و مطمئنا رسیده و دارن روی اون کار می کنن و چندی پیش به ذهنم خطور کرد ارتباط دو مبحث بسیار عالی است که می تونه کلید خیلی ناشناخته ها باشه و اون مباحث کوانتومی و پدیده برآمدگی است. پدیده برآمدگی به بهینه سازی خیلی رفتارهای طبیعت منتج میشه. رفتار طبیعت رو میشه با اتحاد ایندو بهتر فهمید. مطمئنم زوایا و ارتباطاتی بین ایندو وجود داره. مطلب دیگه کامپیوترهای کوانتومی است. در چند سال آینده مطمئنم توسعه این شاخه که بیشتر در حال حاضر به صورت استفاده از نتایج فیزیک کوانتومه و در واقع کوانتوم کاربردی محسوب میشه نتیجه عکس هم خواهد داد. یعنی به جای اینکه بیشتر تاثیرات ابزاری داشته باشه و بگوییم فیزیک کوانتوم در خدمت محاسبات و ابزار خواهیم دید که در توسعه و کشف زوایای جدید کوانتوم و حتی ـوسعه تفسیرهای جدید و بسا یک تفسیر واقعی از کوانتوم کمک خواهد کرد. گرچه من معتقدم هیچ تفسیری از کوانتوم صحیح و کامل نیست و دنبال آن گشتن بدنبال نخود سیاه رفتنه. یعنی بشر هیچگاه دست نخواهد یافت. چون برای خود تفسیر هم ماهیت کوانتومی قائلم. یعنی دریافتن واقعیت و ماهیت کوانتوم مستوجب فرو کاهیدن این ماهیت و پدیده شده و ماهیت کوانتومی را قطعی و از بین خواهد برد و خوب چنین امری محال است. شاید جملات و حرفهایی که زدم رنگ و بوی غیر علمی یا چیزی بیشتر فلسفه مابانه و شبه علم و مبهم و غیر دقیق و عامه نگرانه و غیر فرموله و بدون اساس به نظر بیایند.اما به هر حال من هم حتی نمی توانم فکرم را آنطوری که هست بنویسم. چون آن فکر هم خودش خیلی دقیق و قطعی نشده و از فکر تا جملات هم باز دچار نقصان می شود ضمن اینکه پایه علمی یا تحصیلی در این زمینه ندارم.