دانشمندان با سیستمی ۱۰ میلیارد اتمی، مرزهای مکانیک کوانتومی را درنوردیدند

چرا مکانیک کوانتومی به خوبی در مقیاس میکروسکوپی کار می‌کند، اما در مورد اشیای ماکروسکوپی هنوز مجبوریم از فیزیک کلاسیکی یا نیوتونی استفاده کنیم؟ این سوال از همان روزهای آغازین پیدایش مکانیک کوانتومی، فیزیکدانان را آزار می‌داد. تاکنون آزمایش‌های زیادی برای بیرون کشیدن رفتارهای کوانتومی از سیستم‌های ماکروسکوپی انجام شده، اما اکنون دانشمندان دانشگاه صنعتی دلفت و دانشگاه وین، سیستمی واقعا ماکروسکوپی با ۱۰ میلیارد اتم طراحی کرده‌اند که رفتار کوانتومی از خود نشان می‌دهد. به نظر می‌رسد د ر حال نزدیک شدن به عصر مشاهده‌ی مکانیک کوانتومی با چشمان غیرمسلح هستیم! با دیپ لوک همراه باشید…

دانشمندان بیش از صد سال پیش و پس از درک نظریه‌ی کوانتومی دریافتند این نظریه با برخی از اصول بنیادی فیزیک کلاسیکی، ناسازگار است. از جمله‌ی این اصول می‌توان به دو مورد اشاره کرد: آیا اطلاعات می‌توانند سریع‌تر از نور مبادله شوند (که به آن ناموضعیت می‌گویند) و اینکه کدام کمیت‌های فیزیکی بدون توجه به اینکه مشاهده شوند یا نه، وجود دارند (که به آن، رئالیسم گفته می‌شود). که این سوال مشهور اینشتین را به ذهن متبادر می‌کند:

آیا فکر می‌کنید ماه فقط زمانی که به آن نگاه کنید، آنجا وجود دارد؟

بحث‌های داغ اینشتین و بور در مورد این ناسازگاری‌ها در دهه‌ی ۱۹۳۰ موضوع دهه‌ها پژوهش‌ درباره‌ی همبستگی‌های بین سیستم‌های کوانتومی را کلید زد. این پدیده که درهم تنیدگی کوانتومی نامیده می‌شود، به سرعت به صورت یکی از پیش‌بینی‌های کلیدی مکانیک کوانتومی متبلور شد. جان بل در دهه‌ی ۱۹۶۰ مسیر جدیدی را برای آزمودن این اصول به صورت تجربی باز کرد که نتایج موجود و جدید را به بحث‌ها اضافه می‌‌کرد. اما اکثر آزمایش‌های کوانتومی که تاکنون انجام شده‌اند، با یک یا تعداد بسیار اندکی ذره انجام شده‌اند.

گروهی از دانشمندان اکنون مقیاس کاملا جدیدی را به حوزه‌ی آزمایش‌های کوانتومی وارد کرده‌اند. آنها دستگاهی ساختند که همبستگی‌های بین حرکت ارتعاشی نوسانگرهای اپتومکانیکی سیلیکونی که متشکل از حدود ۱۰ میلیارد اتم و حالت نوری هستند بدست می‌دهد. این دستگاه‌ها به حالات پایه‌ی حرکتی‌شان سرد می‌شدند و سپس با پالس‌های لیزری کاوش می‌شدند. فرکانس‌های لیزری خاصی می‌توانند با این دستگاه‌ها برهمکنش کنند. زمانیکه این اتفاق افتاد، همبستگی بین نور پراکنده شده و دستگاه‌ها رخ می‌دهد که این همبستگی، امکان پیش‌بینی کامل رفتار یکی از آنها از طریق دیگری را می‌دهد.

دانشمندان برای اینکه ثابت کنند این همبستگی‌ها به صورت کوانتومی و نه کلاسیکی، رفتار می‌کنند، آزمون بل را انجام دادند. دو ذره ضرورتا انتخاب می‌شدند: آزمایش به چنین روشی طراحی شد تا هر یک از آنها در یکی از آشکارسازها ثبت شوند. هر دو نتیجه از نظر طراحی، امکان رخداد برابری داشتند که امکان پیش‌بینی نتیجه‌ برای فوتون‌ها یا فونون‌ها را به صورت جداگانه غیرممکن می‌کرد. اما به علت همبستگی بین دو ذره، همیشه نتیجه‌ی اندازه‌گیری فونون‌ها به نتیجه‌ی اندازه‌گیری فوتون‌ها مربوط بود. دانشمندان در حدود ۸۰ درصد موارد، چنین پدیده‌ای را مشاهده کردند که بالاتر از آستانه‌ی آزمون بل، یعنی حدود ۷۰ درصد است. آزمون بل واقعی، به این منظور طراحی شده بود که پارامترهای تجربی خاصی که دو ذره را به شیوه‌های متفاوتی تحت تاثیر قرار می‌دهند بسنجد و ببیند چه زمانی این وابستگی از بین می‌رود. از نظر کوانتومی، این دو ذره می‌توانند اندازه‌گیری‌های همبسته را بیش از زمانی که از نظر کلاسیکی مجاز است، حفظ کنند. محققان می‌گویند:

این کامل‌ترین آزمونی است که برای یک دستگاه بزرگ که به صورت کوانتومی رفتار می‌کند، انجام شده است.

این نتایج نشان می‌دهند که مکانیک کوانتومی می‌تواند به قلمروی ماکروسکوپی توسعه یابد. به علاوه این دستگاه، می‌تواند بزرگتر شده و بهبود یابد. مححقان می‌گویند:

روش آزمایش ما، مستقل از اندازه‌ی نوسانگر است، این نتایج، کاوش مرز بین دنیای کلاسیکی و کوانتومی با اشیای بزرگ و دلخواه، حتی اشیایی که با چشم غیرمسلح قابل رویت باشند را امکان پذیر می‌کند.