همه‌ی ما می‌دانیم وقتی شیر سرد را در فنجان قهوه‌ی داغ بریزیم، پس از مدتی، دمای کل فنجان یکسان شده و آنها به اصصلاح به تعادل گرمایی خواهند رسید. این فرآیند آنقدر برای ما شهودی و تکراری شده که ٖآن را مسئلهی بسیار پیش‌پاافتاده‌ای تلقی می‌کنیم، اما مسئلهی تعادل گرمایی در قلمروی مکانیک کوانتومی، آنقدر عجیب و سوال‌برانگیز است که گروه‌های تحقیقاتی زیادی را مجدوب خود کرده است. در تازه‌ترین پژوهش، دانشمندان دانشگاه استنفورد با ساخت یک گهواره نیوتون کوانتومی به واکاوی این موضوع پرداخته‌اند که نتیجه‌ی آن در مجله معتبر Physical Review X منتشر شده است. با دیپ لوک همراه باشید…
گاهی اوقات برای درک پیچیده‌ترین مسائل علمی، باید از راه حل‌های ساده شروع کرد، همانگونه که اکنون دانشمندان در آزمایش جدیدی با الهام از یک اسباب‌بازی، راه حل جدیدی برای یکی از رازهای فیزیک کوانتومی یافته‌اند. اسباب بازی مورد نظر، یک گهواره نیوتون است: ردیف‌هایی از توپ‌های دقیقا متعادل‌شده و متصل به یکدیگر که می‌توانند برای مدت زمان طولانی و بدون توقف در حرکت باشند. گهواره نیوتون یکی از مشهورترین نمونه‌های نشان دهنده‌ی چگونگی عملکرد انرژی و تکانه است که اکنون برای مطالعه سیستم‌های کوانتومی مورد استفاده قرار گرفته است.
تیمی از فیزیکدانان، موفق به ساخت نسخه‌ی کوانتومی گهواره نیوتون شده‌اند که به آنها اجازه می‌دهد فرآیند تعادل گرمایی (thermalisation) را مطالعه کنند. تعادل گرمایی، فرآیندی است که طی آن، حرکات آشوبناک ذرات کوانتومی سرانجام به یک تعادل دمایی تبدیل می‌شود. همه‌ی ما با مفهوم تعادل گرمایی از دیدگاه فیزیک کلاسیک آشنا هستیم. مثلا فرآیند مخلوط کردن دو ماع سرد و گرم که در نهایت منجر به یکسان شدن دما در سطح آنها می‌شود، یک نمونه از از تعادل گرمایی در فیزیک کلاسیک به شمار می‌رود، اما دانشمندان هنوز موفق به درک دقیق چگونگی و چرایی این فرآیند در قلمروی کوانتومی نشده‌اند؛ به این منظور آنها گهواره کوانتومی نیوتون را ساختند.
در گهواره کوانتومی نیوتون، هیچ گلوله‌ی آویخته از طنابی وجود ندارد، اما در عوض، محققان گروه‌هایی از اتم‌ها را که تا دمای صفر مطلق سرد شده بودند را روی آرایه‌ای از لوله‌های لیزری نشانده و از طریق پرتوهای متمرکز لیزر آنها را وادار به برهمکنش نمودند. استفاده از مفهوم گهواره نیوتون قبلا نیز مورد آزمایش قرار گرفته است، اما در این تحقیق، محققان از اتم‌های با قدرت مغناطیسی بسیار بالا برای بررسی دقیق‌تر نحوه تاثیر آنها بر اتم‌های همسایه در گهواره نیوتون استفاده کردند. این آزمایش، دو مرحله‌ی متمایز و نمایی را در فرآیند تعادل گرماییِ سطوح کوانتومی نشان داد و محققان را قادر به در نظر گرفتن فرضیه‌ای جدید در مورد آنچه که سطوح کوانتومی رخ می‌دهد، کرد. یکی از اعضای این تیم تحقیقاتی در دانشگاه استفورد می‌گوید:
این بدان معنی است که ما می‌توانیم نظریه‌ی بسیار عمومی و ساده‌ای برای فرایند تعادل گرمایی در سیستم‌های کوانتومی پیچیده مانند این داشته باشیم. این مسئله از آن جهت زیباست که امکان تعمیم آن به سایر سیستم‌های مشابه نیز وجود دارد.
این نتایج با استفاده از شبیه سازهای رایانه‌ای نیز مورد تایید قرار گرفتند. آزمایش‌ها در سطوح مختلف قدرت مغناطیسی مورد بررسی قرار گرفتند. هرچه قدرت مغناطیسی بیشتر باشد، آشوب و بی‌نظمی ذرات بیشتر بوده و اثر کلاسیکی تکانه‌ی گهواره نیوتون، کمتر مشاهده می‌شود. این نوع انعطاف‌پذیری به این معنی است که می‌توان آزمایش‌های زیادی را با استفاده از این سیستم انجام داد. اگر قصد داریم رایانه، حسگرها و دستگاه‌های کوانتومی را توسعه دهیم، بررسی چنین سیستم‌هایی به ما کمک می‌کند. دانشمندان می‌گویند:
اگر می‌خواهیم دستگاه‌هایی مفید و نیرومند، تولید کنیم، باید بدانیم سیستم‌های کوانتومی خارج از تعادل، مانند گهواره نیوتون ، چگونه رفتار می‌کنند.
