یکی از سوالات باز و جنجالی در حوزه فیزیک، این است که دنیای کوانتومی چقدر می‌تواند بزرگ باشد یا به عبارتی وسعت دنیای کوانتوم چقدر است؟ یک جسم چقدر می‌تواند بزرگ باشد و هنوز مانند یک موج کوانتومی عمل کند؟ به لحاظ نظری، ابعاد جسم اهمیتی ندارد. فیزیکدان‌ها امیدوارند با نشان دادن اینکه حتی اشیا بزرگ می‌توانند رفتارهای عجیب کوانتومی از خود نشان دهند، راز فروپاشی کوانتومی را روشن کنند، ماهیت کوانتومی گرانش را تشخیص دهند و شاید حتی گربه شرودینگر را به واقعیت بدل کنند. فیلیپ بال (Philip Ball)، در وب‌سایت کوانتامگزین در این باره توضیح می‌دهد. با دیپ لوک همراه باشید…
یک تکه بلور سیلیس را در نظر بگیرید که ابعادش بیشتر از یک ویروس (حدود ۱ میکرومتر) نیست. دو تیم از محققان در اتریش و سوئیس بطور مستقل موفق شده‌اند چنین نانوذرات ریزی با عرض ۱۰۰ الی ۱۴۰ نانومتر را منجمد کرده و آن‌ها را تقریبا به پایین‌ترین سطح انرژی کوانتومی برسانند. در واقع محققان دما را فقط چند درجه بالاتر از صفر مطلق قرار داده و بلورها را با دقت بسیار بالایی در جایشان ثابت نگه داشته‌اند.
نگه‌داشتن نانوذره در یک نقطه، تنها شروع ماجراست. هدف این است که این اجسام در یک، به اصطلاح، برهم نهی کوانتومی قرار گیرند. به این ترتیب، تعیین محل دقیق آن‌ها پیش از اندازه‌گیری، غیرممکن می‌شود. یک ذره در حالت برهم نهی را می‌توان در دو یا چند مکان پیدا کرد و تا زمانی که به آن نگاه نکنید، نمی‌دانید در کدام حالت خواهد بود. شاید این شگفت‌انگیزترین نمونه‌ای باشد که نشان می‌دهد مکانیک کوانتومی چگونه اصرار دارد جهان آشنای ما (متشکل از اجسام با ویژگی‌ها و موقعیت‌های مشخص)، فقط از طریق نگاه کردن به آن به وجود آید.
برهم نهی ذرات زیر اتمی، اتم‌ها و ذرات بدون جرم نور (فوتون‌ها) به خوبی ثابت شده است. اما از آنجا که چنین اثرات کوانتومی، وقتی ذرات با محیط اطرافشان برهمکنش می‌کنند، به راحتی مختل می‌شوند، تنظیم برهم نهی‌ها به سرعت سخت‌تر می‌شود. زیرا اجسام بزرگتر شده و برهمکنش‌های بیشتری را تجربه می‌کنند. این برهمکنش‌ها تقریبا به طور آنی یک برهم نهی را از بین می‌برند و جسم را با خواص منحصر به فرد و خوش‌تعریف برجای می‌گذارند. با این وجود محققان بطور پیوسته، اندازه‌ای را که می‌توان برهم نهی و اثرات کوانتومی مربوط به آن را مشاهده کرد، افزایش داده‌اند؛ از ذرات گرفته تا مولکول‌های کوچک، سپس مولکول‌های بزرگتر. اکنون آن‌ها امیدوارند بتوانند توده‌های ماده در مقیاس نانو را مورد بررسی قرار دهند.
هیچکس نمی‌داند که اصولا وسعت دنیای کوانتوم تا کجا می‌تواند گسترش یابد. آیا همانطور که برخی فکر می‌کنند محدودیت اندازه‌ای وجود دارد (شاید به این دلیل که رفتار کوانتومی با گرانش، که برای اتم‌ها و مولکول‌ها قابل چشم پوشی است، ناسازگار است)، که پس از آن اثرات کوانتومی به سادگی از بین می‌روند؟ یا هیچ محدودیت اساسی برای کوانتوم وجود ندارد؟ در طول یک قرن تاریخ نظری کوانتوم، این سوالات مطرح بوده است. اکنون، برای اولین بار، محققان در آستانه پاسخگویی به آن‌ها هستند. این پاسخ‌ها شاید راهی برای توصیف گرانش در جهان کوانتومی را نیز نشان دهند. اوریول رومرو ایسارت (Oriol Romero-Isart)، نظریه پرداز کوانتومی از دانشگاه اینسبروک در اتریش و یکی از پیشتازان حوزه کوانتوم می گوید:
من ۱۰ سال است که روی برهم‌نهی‌های ماکروسکوپی کار می‌کنم. اما اکنون ما در یک لحظه بسیار حساس و مهم هستیم. در سال‌های آتی، ممکن است دریابیم که جهان در تمام زمان‌ها و مکان‌ها، کوانتومی است یا خیر.
برخلاف باور عموم، یک ذره کوانتومی در یک برهم نهی، در دو یا چند حالت بطور همزمان وجود ندارد. بلکه برهم‌نهی، به این معنی است که تنها یک نتیجه ممکن برای اندازه‌گیری وجود ندارد (بلکه بیش از یک نتیجه ممکن وجود دارد). برای یک جسم که در مقیاس‌های روزمره و توسط فیزیک کلاسیک توصیف می‌شود، چنین چیزی، بی‌معنی است: جسم یا اینجاست یا آنجا، یا قرمز است یا آبی. اگر نمی‌توانیم بگوییم کدام است، تنها بخاطر جهل ماست که نگاه نکرده‌ایم. اما برای برهم‌نهی کوانتومی، هیچ پاسخ قطعی وجود ندارد، چراکه ویژگی موقعیت، بدتعریف است. با این حال، اگر زمانی که نتایج را مشاهده می‌کنیم فقط یک نتیجه خاص یا نتیجه دیگری را ببینیم، چگونه می‌توانیم بفهمیم که ذره قبل از مشاهده، در حالت برهم نهی بوده است یا خیر؟
پاسخ این است تا زمانی که سعی نکنیم بفهمیم نتیجه چیست، نمیدانیم. در واقع تا زمانی که آن ویژگی را اندازه‌گیری نکنیم، جوابی نداریم. چراکه دو یا چند جایگزین که به گونه‌ای در برهم‌نهی ایجاد می‌شوند، می‌توانند با هم تداخل داشته باشند. درست مانند دو موج. این رفتار موجی را می توان با تابعی در ریاضیات نشان داد که تابع موج نامیده می‌شود. تابع موج، هر آنچه را که می‌توانیم در مورد ذره بگوییم رمزگذاری می‌کند.
تداخل کوانتومی، زمانی مشهود است که ذره‌ای از دو شکاف باریک در صفحه عبور کند. اگر به دنبال این نباشیم که ذره از کدام شکاف عبور کند، آن ذره بسیار شبیه یک موج آب رفتار می‌کند. عملکرد موج آن، به طور همزمان در هر دو شکاف پخش می‌شود و یک الگوی تداخل ایجاد می‌کند. اما اگر یک دستگاه اندازه‌گیری را، در یکی از شکاف‌‌‌‌ها قرار دهیم تا بدانیم آیا هر ذره از آن عبور کرده است یا خیر، الگوی تداخل از بین می‌رود. اما اجسام چقدر می‌توانند بزرگ شوند ولی همچنان مانند امواج مادی تداخلی عمل کنند؟
آنتوان زیلینگر (Anton Zeilinger)، فیزیکدان کوانتومی و همکارانش در دانشگاه وین، در سال ۱۹۹۹ این سوال را با آزمایش دو شکاف پاسخ دادند. آن‌ها با استفاده از مولکول های کربن به نام فولرن (C۶۰)، مطالعات خود را انجام دادند. فولرن‌ها دقیقا از ۶۰ اتم کربن متصل به حلقه های شش و پنج ضلعی، شبیه تکه‌های چرمی یک توپ فوتبال ساخته شده‌اند. آن‌ها درنهایت یک الگوی تداخل واضح پیدا کردند که نشان می‌داد حتی مولکول‌هایی مانند C۶۰، می توانند دچار برهم نهی شوند. این مولکول‌ها با عرض ۰.۷ نانومتر، بسیار بزرگتر و سنگین تر از یک اتم تک هستند. بعلاوه محققان به بررسی نحوه از بین رفتن برهم نهی نیز پرداختند. برهمکنش بین یک ذره کوانتومی و ذرات مجاور، مانند مولکول‌های گاز یا فوتون‌ها، هر دو جسم را در نوعی حالت کوانتومی قرار می‌دهد و دچار درهم تنیدگی می‌کند. به این ترتیب، برهم نهی ذرات اصلی در محیط گسترش می‌یابد.
برهم نهی درحال گسترش، درست مانند یک قطره جوهر که در یک لیوان آب پخش می‌شود، دیدن ذره اصلی را سخت‌تر می‌کند. مگر اینکه به هر نقطه‌ای که در آن پخش شده است نگاه کرده و ذره را از این اطلاعات بازسازی کنید. از آنجایی که درهم تنیدگی ، تابع موج ذرات اولیه‌ای را که دچار برهم‌نهی شده‌اند با ذرات اطراف آن ترکیب می‌کند، به نظر می‌رسد که تابع موج، انسجام خود را از دست داده و فقط به توده ای از امواج کوچک گسسته تبدیل می‌شود. این فرآیند ناهمدوسی نامیده می‌شود و اصل برهم‌نهی را در شی اصلی غیرقابل تشخیص می‌کند. در نهایت اینطور به نظر می‌رسد که طبیعت کوانتومی آن ناپدید می‌شود.
ناهمدوسی یک برهم نهی کوانتومی، بسیار سریع اتفاق می‌افتد. مگر اینکه برهمکنش‌های ذره با محیط به حداقل برسد. برای مثال، با خنک کردن آن تا دماهای بسیار پایین برای کاهش اثر مخرب گرما؛ و نیز نگه داشتن شی در خلا برای حذف برخورد مولکولی. هرچه شی بزرگتر باشد، برهمکنش‌های بیشتری رخ می‌دهد و ناهمدوسی سریع‌تر اتفاق می‌افتد. یک دانه گرد و غبار حدودا ۱۰ میکرومتری که در هوا شناور است را در نظر بگیرید. برای یک حالت برهم نهی، از دو موقعیت در فضا که فاصله بین آن‌ها تقریبا به اندازه عرض خود دانه است، ناهمدوسی در حدود ۳۱- ۱۰ ثانیه تخمین زده می‌شود. این زمان کم‌تر از مدتی است که یک پرتو نور برای سفر در عرض یک پروتون نیاز دارد.
اینطور بنظر می‌رسد که ناهمدوسی مهم‌ترین مانع، برای ایجاد برهم‌نهی کوانتومی در اجسام بزرگ است. آزمایشات تداخلی با فولرن‌ها این تصور را ثابت کرد. تیم وین پیش‌بینی کرد که تداخل ذرات باید به تدریج ناپدید شود چون آن‌ها اجازه می‌دهند که یک گاز پس‌زمینه به داخل محفظه وارد شود، جایی که مولکول‌های آن با فولرن‌ها برخورد می‌کنند و پیوستگی امواج کوانتومی آن‌ها را نابود می‌کنند. این دقیقا همان چیزی بود که آن‌ها در آزمایشات مشاهده کردند.
یکی از اعضای تیم زیلینگر، مارکوس آرنت (Markus Arndt) بود که به تلاش برای افزایش تداخل کوانتومی در دو دهه گذشته ادامه داد. او و تیمش در سال ۲۰۱۱، تداخل پرتوهای مولکول‌های آلی پایه کربن با حدود ۴۳۰ اتم و هر یک به اندازه ۶ نانومتر را اندازه‌گیری کردند. در سال ۲۰۱۹، آن‌ها این کار را با مولکول‌های حدود ۲۰۰۰ اتم انجام دادند. سپس سال گذشته، آن‌ها الگوهای تداخلی را بطور خاص در یک مولکول زیستی ایجاد کردند. این مولکول زیستی، یک پپتید طبیعی به نام gramicidin A1 بود. اگرچه ممکن است این نمونه‌ها، مولکول‌های شکننده‌ای در شرایط سخت آزمایش های تداخل پرتو مولکولی باشند و خیلی زود تسلیم شوند، اما آرنت می‌گوید هدف او این است که جرم ذرات را با ضریب ۱۰ در هر یک یا دو سال افزایش دهد.
این کار به زودی آن‌ها را به اندازه‌های خوبی در محدوده جرم اجسام زیستی مانند ویروس‌ها قرار می‌دهد. در همین حال، در سال ۲۰۰۹ رومرو ایسارت و همکارانش، در موسسه ماکس پلانک واقع در گارشینگ آلمان و در زمینه اپتیک کوانتومی، ایده‌ای را برای تعلیق ویروس‌ها در یک تله نوری مطرح کردند. محققان در این ایده، اشیا کوچک را توسط نیروهای ناشی از پرتوهای نوری شدید و متمرکز، نگه می‌دارند. سپس آن‌ها را به صورت برهم‌نهی دو حالت ارتعاشی درمی‌آورند و به دنبال تداخل بین آن‌ها می‌گردند.
ادامه دارد…
