کلید حل معما در دست بچه گربه‌های شرودینگر است نه گربه‌های شرودینگر ( قسمت دوم)

در قسمت اول این مقاله، درباره‌ی بچه‌ گربه های شرودینگر بحث کردیم، موجوداتی که قرار است به کمک آنها پرده از راز مرز دنیای کوانتومی-کلاسیکی برداریم. در این قسمت به آزمایشهایی که این بچه گربه‌ ها را شبیه‌سازی کرده‌اند می‌پردازیم. این پژوهش‌های جدید که در زمینه اندازه گیری اجسام بزرگ از دیدگاه های کوانتومی و واهمدوسی کوانتومی انجام شده، بسیار هیجان‌انگیزند. دانشمندان در سه گروه مستقل در دانشگاه‌های مختلف دنیا به بررسی این موضوع پرداخته‌اند. با دیپ لوک همراه باشید…

سایمون گروبلاکر از دانشگاه دلفت (Delft) هلند می‌گوید:

بسیاری از فیزیکدانان انتظار شگفت‌زدگی در مقیاس‌های بزرگ را ندارند، ولی به سادگی نمی توان فهمید که چه اتفاقی می‌افتد اگر حالت‌های کوانتومی را با حدود ۱۰²³ اتم که مقیاس متداول اجسام است، بسازیم. آزمایش‌های جدید نشان می‌دهد برخلاف آنچه شرودینگر فکر می‌کرد، اجسام بزرگ می‌توانند رفتار کوانتومی غیر عادی از خود نشان دهند.

سایمون و همکارانش میکروپرتوهایی از سیلیکون تولید کردند، هرکدام با ۱۰ میکرومتر طول و سطح مقطع ۱ تا ۰.۲۵ میکرومتر. هر پرتو، یک حفره را در امتداد پرتوهایی که نور لیزر فروسرخ را جذب و در تله می‌انداخت، ایجاد کردند. محققان سپس آن پرتوها را با نور برانگیخته کرده و وارد الگوهای برهم‌نهی می‌کردند. آنها با این کار می‌توانستند دو پرتو را در یک حالت کوانتومی ارتعاشی در هم تنیده کنند (مانند یک تعادل بسیار کوچک بین دو گربه درهم‌ تنیده).

نوع دیگری از درهم‌تنیدگی بین نوسانگرهای مکانیکی گزارش شده است. در چند مقاله متوالی در مجله Nature، محققان دو پرده‌ی میکروسکوپی را مانند ورقه‌های نازک فلزی در یک سیم ابررسانا، به هم چسباندند. این سیم می‌تواند حاوی جریان الکتریکی باشد که در فرکانس‌های ماکرویو نوسان می‌کند (حدود ۵ میلیون ارتعاش در هر ثانیه): میدان مغناطیسی ناشی از آن فشاری بر صفحات ارتعاشی وارد می‌کند. میدان های الکترومغناطیسی به عنوان بستری عمل می‌کنند که دو پرده را مجبور به یک حالت کوانتومی درهم‌تنیده می‌کنند. محققان مدت‌ها قبل به دنبال آن بوده‌اند تا اثرات کوانتومی مانند برهم‌ نهی و درهم ‌تنیدگی را در نوسانگرهای میکرومکانیکی که دارای میلیاردها اتم هستند بدست آورند. آنها می‌گویند:

حالت های درهم تنیده نوسانگرهای مکانیکی ازسال‌های ۱۹۷۰ موردبحث بوده، اما در سال های اخیر امکان ساخت چنین حالت‌هایی از نظر فنی امکان‌پذیر شده است.

آنچه این آزمایش‌ها را مهم می سازد این است که فرآیندی را امکان‌پذیر می‌کنند که اجسام بزرگ تابع قوانین کلاسیکی به اجسامی تابع قوانین کوانتومی تبدیل شوند. به نظر می رسد این فرآیند، قسمت گمشده‌ی پازل اندازه گیری است که بور آن را مبهم گذاشته بود. به این فرآیند، واهمدوسی می گویند که رابطه‌ی عمیقی با درهم‌تنیدگی دارد. طبق مکانیک کوانتومی، درهم تنیدگی نتیجه اجتناب‌ناپذیر برهمکنش بین دو جسم کوانتومی است. بنابراین اگر یک جسم (مثلا یک گربه) یک برهم ‌نهی از حالت‌های کوانتومی را شروع کند، به عنوان جسمی که با محیط اطرافش برهمکنش دارد، جدا می‌شود و به صورت فزاینده با آن درهم‌تنیده می‌شود. اما اگر بخواهید واقعا برهم‌نهی را ببینید باید رفتار کوانتومی تمام ذرات درگیر را استنباط کنید. این کار غیر ممکن است، زیرا مانند این است که بخواهیم اتم‌های یک قطره جوهر را که در یک استخر پخش شده‌اند جمع کنیم. طبیعت کوانتومی ذره‌ی اولیه به علت برهم‌کنش با محیط، نشت کرده و پخش می‌شود که این پدیده را واهمدوسی می‌گویند.

نظریه‌پردازان کوانتومی نشان داده‌اند که با نوعی رفتار که در فیزیک کلاسیک دیده می‌شود، واهمدوسی افزایش می‌یابد و تجربی‌کاران در آزمایش‌هایی که سرعت واهمدوسی قابل کنترل است، آن را اثبات کرده‌اند، در جایی که اثرات کوانتومی خاص مانند تداخل موج‌مانند ذرات به تدریج در طی فرآیند واهمدوسی از بین می‌رود.

واهمدوسی قسمت اصلی جریان تبدیل دنیای کوانتوم-کلاسیک است. توانایی یک جسم در نشان دادن رفتار کوانتومی مانند تداخل، برهم‌نهی، درهم‌تنیدگی یا همان همبستگی‌های القایی، ربطی به بزرگی آن ندارد، بلکه به چگونگی درهم‌تنیدگی آن با محیطش وابسته است. با این حال، اندازه، نقش کلیدی را بازی می‌کند، هرچه جسم بزرگتر باشد، راحت‌تر با محیطش درهم تنیده می‌شود و واهمدوسی رخ می‌دهد. یک جسم بزرگ، گرم، ناآرام مانند یک گربه شانسی برای باقی ماندن در برهم‌ نهی کوانتومی ندارد و به صورت آنی، واهمدوس می‌شود.

اگر یک گربه را داخل جعبه بچسبانید و سرنوشتش را به نتیجه‌ی یک رویداد کوانتومی وابسته کنید، آن را در برهم‌نهی مرده یا زنده قرار نداده اید، زیرا واهمدوسی فورا آن را مجبور می کند که در یک حالت قرار بگیرد. اگر با از بین بردن تمام برهم‌کنش های محیط، مانع واهمدوسی شوید (بدون کشتن گربه در یک خلا سرد) داستان تغییر می‌کند. اما اصل داستان، آن چیزی است که دانشمندان با نوسانگرهای ظریفشان بدست آورده‌اند.

به جای کارکردن بر مرزهای کوانتوم -کلاسیک از بالا پایین، اگر ما می‌توانیم کوانتوم را در اجسام مرتعش کننده‌ی بسیار کوچک ببینیم، پس می توانیم آن را از پایین پایین بررسی کنیم، زیرا می‌دانیم اثرات کوانتومی مانند برهم‌نهی و تداخل در اتم‌های تک و حتی مولکول‌های کوچک دیده می‌شوند. ممکن است تعجب کنیم که این اثرات تا چه حدی می‌توانند پایدار باشند، اگر به اضافه کردن اتم ادامه دهیم. سه گروه تحقیقاتی اکنون به این پرسش جواب‌ داده‌اند، آنها حالت های کوانتومی را برای بیشتر از ده هزار ابر از اتم‌های منجمد در حالت‌های درهم‌تنیده موسوم به چگالیده‌ بوز-اینشتین (BEC) بدست‌ آورده‌اند.

اینشتین و یک فیزیکدان هندی به نام بوز معتقد بودند چنین حالتی بین بوزون‌ها وجود دارد. در یک BEC ،تمام ذرات در حالت کوانتومی یکتایی (singlet) قرار دارند به این معنی که از نظر اثر کوانتومی مانند یک جسم بزرگ کوانتومی رفتار می‌کنند. چون این یک اثر کوانتومی است، چگالیده‌ بوز‌-اینشتین در دماهای بسیار پایین رخ می‌دهد و یک BEC تنها در حالت خالصش (یک ابر از ذرات بوزونی) در سال ۱۹۹۵ در اتم‌های روبیدیوم که تا چندین میلیاردم درجه بالای صفر مطلق سرد شده بودند، دیده شد.

BEC های شناخته شده از اتم‌های فوق سرد، یک بستر جدید برای تحقیق درباره پدیده‌های کوانتومی در اختیار دانشمندان قرار داد. محققان در گذشته نشان داده‌اند که چنین ابری (شاید چندین هزار اتمی) می‌تواند در حالتی قرار بگیرد که در آن تمام اتم‌ها با هم از نظر کوانتومی درهم تنیده هستند. اینها بچه گربه‌های شرودینگر نیستند، آنها عموما به عنوان برهم نهی های حالت هایی که متفاوتند تعریف می‌شوند. به طور مثال همگی با اسپین بالا و همگی با اسپین پایین (مشابه با مرده و زنده). با این وجود آنها هنوز رفتار کوانتومی در مقیاس‌های نسبتا بزرگ را نشان می‌دهند.

شرطی مهم‌تر از اینکه آنها تجسم مقیاس بچه گربه هستند، وجود دارد و آن مربوط به درهم تنیدگی EPR‌گونه‌ی آنهاست. همه‌ی اتم‌ها با هم در فضا ارتعاش می‌کنند و همه یکسان و تمییز ناپذیرند. این به این معنی است که حتی اگر آنها درهم‌تنیده باشند، شما نمی‌توانید ارتباط بین خواص یک جسم در این جا و جای دیگر را ببینید. دانشمندان می‌گویند:

چگالیده بوز-اینیشتین اتم‌های منجمد شامل گروه‌های بزرگی از اتم‌های تمییزناپذیر است. یعنی آنها به معنای واقعی در هر مشاهده‌پذیر فیزیکی، برابرند. بنابراین براساس آنها نمی‌توان تعریف عمومی برای درهم‌تنیدگی (آنگونه که در آزمایش فکری EPR شرح داده شده) ارائه داد.

در حقیقت، مفهوم کلی درهم‌ تنیدگی بین ذرات تمییزناپذیر از لحاظ نظری رد شده است. فیلیپ کانکل (Philipp Kunkel) از دانشگاه هایدلبرگ در آلمان، دلیل را چنین بیان می‌کند:

زیرا ایده درهم‌تنیدگی نیازمند این احتمال است که بتوان زیر مجموعه‌های جداگانه‌ای را تعریف کرد که با یکدیگر در هم‌تنیده می‌شوند.

درهم‌تنیدگی ذرات جدا شده از نظر فضایی در آزمایش فکری EPR در سه آزمایش جداگانه توسط گروه کلامپت در هانوفر، گروه کانکل در هایدلبرگ و یک گروه به سرپرستی فیلیپه تایتلین (Philipp Treutlein) در دانشگاه بازل سوئد نشان داده شده است. تایتلین بیان می‌کند:

تناقض با فیزیک کلاسیک به ویژه وقتی که درهم‌تنیدگی بین سیستم‌هایی با جدایی فضایی دیده می‌شود، مشخص‌تر است. این وضعیتی است که در ۱۹۳۵ مقاله EPR در نظر می‌گیرد.

هر سه گروه از ابرهایی با صدها تا هزارها اتم روبیدیوم که در یک میدان الکترومغناطیس قرارگرفته‌اند استفاده می‌کنند. محققان از لیزرهای فروسرخ برای انجام تبدیلات کوانتومی در اسپین اتم‌ها استفاده کرده و به دنبال ارتباط بین مقادیر اسپینی هستند که علامت هشداری برای درهم‌تنیدگی‌اند. آنها می‌گویند:

نتایج بدست آمده بسیار هیجان‌انگیزند. درهم تنیدگی در بخارات اتمی مدت‌ها قبل تولید شده، اما آنچه در اینجا متفاوت است مرتبه‌ی کنترل این سیستم‌ها است

گروه‌های هایدلبرگ و بازل درهم‌تنیدگی را با اثری به نام فرمان کوانتومی نشان می‌دهند که از آن وابستگی متقابل بین دو ناحیه‌ی درهم تنیده شده نتیجه گرفته شده است، بنابراین اندازه‌گیری در یک ناحیه به محققان اجازه‌ی پیش‌بینی اندازه‌ها در ناحیه‌ی دیگر را نیز می‌دهد. جدای از درهم‌تنیدگی مشخص بین دو ناحیه جداگانه فضایی ، این کار، یک مزیت کاربردی نیز دارد: شما می‌توانید نشانی نواحی جداگانه‌ای را برای پردازش اطلاعات کوانتومی بدهید. تایتلین می‌گوید:

اساسا اگر همه‌ی اتم‌ها در یک ناحیه از فضا باشند، نمی‌توانیم آنها را به صورت جداگانه و بدون تاثیر دیگر اتم‌ها در BEC آدرس‌دهی کنیم، اما اگر بتوانیم نشانی دو ناحیه جداگانه فضایی را به صورت جدا بدهیم، درهم‌تنیدگی برای اطلاعات کوانتومی نظیر تله پورت کوانتومی (quantum teleportation) یا مبادله درهم‌تنیدگی (entanglement swapping) در دسترس قرار می‌گیرد. به هر حال، این مسئله نیازمند جدایی فیزیکی ابرهاست. جانس ایزرت بیان می‌کند:

با این راه جدید برای کنترل و به‌کارگیری حالت های درهم تنیده بزرگ، راهی برای آزمایش پیچیده اثرات کوانتوم بر نظریه‌ی گرانش به وجود می آید. این پیشنهاد داده شده است که به طور مثال اثرات گرانشی ممکن است منجر به فروپاشی فیزیکی حالت‌های کوانتومی به حالت های کلاسیکی شود. این ایده را می‌توان بر روی حالت‌های برهم‌ نهی یا درهم تنیدگی جرم‌های بزرگ آزمایش کرد. کلامپت معتقد است بیشتر فیزیکدانان احتمالا انتظار شکست فیزیک کوانتومی با افزایش اندازه‌ی سیستم را ندارند، اما کانکل اضافه می‌کند:

این هنوز یک سوال باز است که آیا از لحاظ نظری و تجربی، محدودیتی بنیادی برای اندازه‌ی اجسامی که می‌توانند با هم درهم‌تنیده شوند، وجود دارد؟

سیلانپا می‌گوید:

سوال جالب‌تر این است که اگر اندازه‌ای بنیادی برای درهم تنیدگی وجود دارد، این بدان معنی است که چیز دیگری علاوه بر مکانیک کوانتومی معمولی وارد داستان می‌شود که می‌تواند مثلا فروپاشی به علت گرانش باشد. اگر گرانش اینجا نقشی داشته باشد، راهنمای جالبی برای توسعه‌ی نظریه‌ی گرانش کوانتومی خواهد بود که باعث می‌شود دو نظریه‌ی رام‌نشدنی مکانیک کوانتومی و نسبیت عام در هم آمیزند.

چنین چیزی یک کودتا برای بچه گربه‌ های شرودینگر خواهد بود!