دنیای کوانتوم

اگر نظریه های علمی موفق را به عنوان درمان‌هایی برای مشکلات سرسخت درنظر بگیریم، فیزیک کوانتوم را می‌توان داروی شگفت انگیز قرن بیستم نامید. کوانتوم با موفقیت پدیده‌هایی چون تابش رادیواکتیو و پاد ماده را توضیح داد و هیچ نگره دیگری نمی‌تواند در مورد اینکه چطور نور و ذرات در مقیاس های کوچک رفتار می کنند با توضیح آن رقابت کند.

اما این توصیف در عین حال بسیار شگفت آور است، اجسام کوانتومی می‌توانند در یک لحظه در حالت‌ها و مکان های چندگانه وجود داشته باشند که برای توصیف آن‌ها نیازمند تسلط به دانش آمار هستیم. این توصیف پر از عدم قطعیت می‌باشد و با پارادوکس‌های مختلفی همراه شده است و همچنین به خاطر ایجاد تردید در مورد مفهوم واقعیت عینی مورد انتقاد بوده است – مفهومی که بسیاری از فیزیک‌دان‌ها از جمله آلبرت اینشتین آن را دیر هضم یافتند. امروزه دانشمندان با این معماهای فلسفی دست به گریبان هستند و از سویی نیز کوشش می‌کنند تا ویژگی‌های عجیب کوانتوم را برای استفاده در تکنولوژی های پیشرفته به کنترل بگیرند.
 

 تولد یک ایده 

نظریۀ کوانتوم در اوایل قرن بیستم شروع به شکل‌گیری کرد، زمانی که ایده‌های کلاسیکی در توصیف برخی مشاهده‌ها شکست خوردند. نظریات پیشین به اتم ها اجازه می‌دادند در هر فرکانسی نوسان کنند که به این پیش‌بینی نادرست منجر شد که آنها می‌توانند میزان بی نهایتی انرژی را تابش کنند – مشکلی که با نام فاجعه فرابنفش شناخته می‌شود. در سال ۱۹۰۰ ماکس پلانک این مشکل را با این گمان حل کرد که اتم‌ها فقط می‌توانند در فرکانس های مشخص یا کوانتیده نوسان کنند، سپس در سال ۱۹۰۵ انیشتین در معمای اثر فوتوالکتریک روزنه‌ای ایجاد کرد، در این اثر نوری که روی فلز می‌افتد تنها الکترون هایی از انرژی‌های مشخص را آزاد می‌کند. نظریه موجود که نور را به عنوان موج درنظر می‌گرفت در توضیح این اثر شکست خورد، اما اینشتین با پیشنهاد اینکه پرتوهای نور در بسته‌های مجزای انرژی با نام فوتون انتشار می‌یابند راه حل فوق‌العاده‌ای را فراهم کرد – الهامی ناگهانی که برای او جایزه نوبل فیزیک را در سال ۱۹۲۱ به همراه داشت.

 کوانتوم مرموز

در حقیقت این ویژگی نور که همچون آفتاب‌پرست توانایی دگرگونی دارد و با توجه به ماهیت آزمایش به شکل ذره یا موج رفتار می‌کند، دانشمندان را برای مدتی طولانی گیر انداخت. فیزیک‌دان دانمارکی نیلز بور این دوگانگی موج ـ ذره را با دوری کردن از مفهوم «واقعیت خارجی مستقل از مشاهده‌گر» توضیح داد، بور در «تفسیر کپنهاگی» خود استدلال کرد که عمل اندازه‌گیری ما آنچه که مشاهده می‌کنیم را تحت تأثیر قرار می‌دهد.

به تازگی آزمایشی بحث برانگیز این دیدگاه موجود نسبت به نور را با آشکارسازی روی‌دادن هم‌زمان هر دو رفتار موجی و ذره‌ای به چالش کشیده است، این پژوهش پیشنهاد می‌کند که شاید چیزی با نام فوتون وجود نداشته باشد و نور تنها به دلیل نحوه برهم‌کنشش با ماده، کوانتیده به نظر می‌رسد. دیگر تفسیرهای نگره کوانتوم (که تعدادشان هم کم نیست) برای حل این مشکل مفاهیمی حتی بسیار عجیب‌تر از یک دنیای وابسته به اندازه‌گیری را پیشنهاد می‌کنند، تفسیر مشهور چندجهانی (جهانهای موازی) پیشنهاد می‌کند که اشیای کوانتومی به این دلیل چندین رفتار مختلف بروز می‌دهند که در تعدادی بی نهایت از دنیاهای موازی وجود دارند.

 قوانین عدم قطعیت

برای حدود ۷۰ سال این دوگانگی موج – ذره با انگاره آزار دهنده دیگری از نظریه کوانتوم توضیح داده میشد، اصل عدم قطعیت هایزنبرگ که در سال ۱۹۲۷ توسط ورنر هایزنبرگ تدوین شد و به تازگی نیز بسیار دقیق‌تر شده است. این نظریه یک حدی را برای میزان آگاهی قرار داد که می‌گوید هیچ‌کس نمی‌تواند هم موقعیت و هم اندازه حرکت یک جسم کوانتومی را با دقت کامل بداند، اندازه‌گیری یکی به شکل گریزناپذیری دیگری را تغییر می‌دهد.

بور، اینشتین را در یک سری از آزمایش‌های فکری در سال‌های ۱۹۲۰ تا ۱۹۳۰ با استفاده از این اصل شکست داد اما پژوهش‌های نوین استدلال می‌کنند که دلیل اساسی برای دیده شدن این دوگانگی در آزمایش‌ها پدیده‌ای با نام درهم‌تنیدگی است. درهم‌تنیدگی پدیده‌ای است که می‌گوید در جهان کوانتومی اگر اجسام با یکدیگر برهم‌کنش داشته باشند یا اینکه از طریق فرایند یکسانی به وجود بیایند دیگر مستقل نیستند، آن‌ها به گونه‌ای به هم پیوند می‌خورند (درهم‌تنیده می‌شوند) که تغییر دادن یکی بدون توجه به اینکه چقدر از هم دور هستند به شکل گریزناپذیری روی دیگری تأثیر می‌گذارد، چیزی که اینشتین به آن «کنش شبح وار از راه دور» میگفت.

این پدیده ممکن است در ابررسانایی دخالت داشته باشد و همچنین نوید «دورنوردی» ذرات در فاصله‌های بسیار زیاد را نیز می‌دهد. این کار از دورنوردی یک حالت کوانتومی در سال ۱۹۹۸ آغاز شد و دانشمندان به تدریج ذرات بیشتر و بزرگتری را درهم‌تنیده کردند.

 شبکه‌های ایمن

درهم‌تنیدگی ممکن است همچنین یک راه ارتباطی تقریباً نفوذ ناپذیر را فراهم کند. رمزنویسان کوانتومی می‌توانند با استفاده از ذرات کوانتومی «کلیدها» را برای رمزگشایی اطلاعات رمزنگاری شده بفرستند. هر کوششی برای جلوگیری از حرکت ذرات می‌تواند حالت کوانتومی آن‌ها را از بین ببرد، دخالتی که سپس آشکار خواهد شد. در آوریل ۲۰۰۴ مؤسسات مالی استرالیایی اولین انتقال پول رمزنگاری شده را با کلیدهای کوانتومی انجام دادند و در ژوئن همان سال اولین شبکه رایانه‌ای رمزنگاری شده با بیش از دو گره¹ به طول ۱۰ کیلومتر در ایالات متحده برپا شد.

نگه داشتن ذرات کوانتومی به شکل درهم‌تنیده نیازمند مهارت زیاد است و پژوهشگران در حال کار روی نحوه بیشینه ساختن سیگنال ذرات و میزان راه پیموده شده توسط آن‌ها هستند. پژوهشگرانی در بریتانیا با استفاده از یک آشکارساز فوتون حساس به تازگی فوتون‌های رمزنگاری شده را در طول یک کابل فیبر نوری به طول ۱۰۰ کیلومتر ارسال کردند. پژوهشگرانی در ایالات متحده نیز طرحی را برای درهم‌تنیدن ابرهایی متوالی از اتم‌ها آماده کرده‌اند، به امید روزی که یک پیوند کوانتومی بین شهرهای ایالات متحده ایجاد کنند.

 رایانه‌های سریع

رایانه‌های کوانتومی یکی دیگر از هدف‌های بلند مدت هستند. از آن‌جایی که ذرات کوانتومی می‌توانند در یک لحظه در چندین حالت موجود باشند، می‌توانند در هر بار برای انجام تعداد زیادی محاسبات به کار گرفته شوند. برای نمونه فاکتور گرفتن از یک عدد ۳۰۰ رقمی در تنها چند ثانیه توسط رایانه‌های کوانتومی در مقایسه با سال‌ها زمان مورد نیاز برای انجام آن به وسیله رایانه‌های مرسوم تفاوت را آشکار می‌کند.

Quantum Mechanicsاما برای نگه داشتن طبیعت چند حالته آن‌ها برای انجام محاسبات، ذرات باید به اندازه کافی جدا بمانند که شرطی بسیار چالش برانگیز است. با این وجود پیشرفت‌هایی در این بخش ایجاد شده است: در سال ۲۰۰۳ گروهی سه تایی از الکترون‌ها (عنصرهای سازنده رایانه‌های کلاسیک) در یک نیمه رسانا درهم‌تنیده شدند و اولین محاسبه کوانتومی در سال ۲۰۰۲ به وسیله یک یون کلسیم تنها انجام گرفت، در اکتبر ۲۰۰۴ نیز اولین حافظه کوانتومی با یک رشته از اتم‌های سزیم ساخته شد.

ذرات ماده به راحتی با یکدیگر واکنش می‌دهند از این رو حالت کوانتومی آن‌ها برای زمان بسیار کوتاهی (تنها یک میلیاردم ثانیه) محفوظ است، اما فوتون‌ها از آن جایی که تمایل بسیار کمتری برای واکنش با یکدیگر دارند حالتشان را حدود یک میلیون بار طولانی‌تر نگه می‌دارند، با این حال ذخیره‌سازی آن‌ها در حالی که با سرعت نور حرکت می‌کنند بسیار سخت است. در سال ۲۰۰۱ دانشمندان توانستند نور را متوقف کنند که پیروزی بزرگی بر یک مانع عملی بود و در سال ۲۰۰۳ نیز اولین دروازه منطقی² کوانتومی(هوش رایانه‌های کوانتومی) به وسیله نور ساخته شد.

 گرانش کوانتومی

در حالی که سه نیرو از چهار نیروی بنیادی طبیعت (آن‌هایی که در اندازه‌های بسیار ریز عمل می‌کنند) به وسیله نگره کوانتوم به خوبی بررسی و توصیف شده‌اند نیروی گرانش نقطه ضعف آن است، این نیرو در اندازه‌های بسیار بزرگ‌تر عمل می‌کند و کوانتوم برای توصیف آن بسیار ضعیف است. تعدادی نگره عجیب برای حل این مشکل پیشنهاد شده‌اند، بسیاری از آن‌ها استدلال می‌کنند که حباب‌های فضا – زمان از نوسان های تصادفی کوانتومی برمی‌خیزند، یک کف پر از کرم‌چاله‌ها و سیاهچاله‌های بی‌نهایت کوچک که گمان می‌رود چنین کفی کل کیهان را در طول بیگ بنگ پر کرده باشد و فضا – زمان را به‌ قدری خم کرده است که ساختارهایی همچون ستاره‌ها و کهکشان‌ها بتوانند بعداً در آن شکل بگیرند.

محبوب‌ترین نگره گرانش کوانتومی می‌گوید که ذرات و نیروها از نوسان‌های حلقه‌های ریزی (یا رشته‌هایی) با طول تنها ۱۰ به توان منفی ۳۵ متر به وجود آمده‌اند. یکی دیگر می‌گوید زمان و فضا در ریزترین ابعاد جدا از هم هستند که از مفهومی با نام «شبکه‌های اسپین» پدیدار شده است. یک مورد نوین دیگر «نسبیت خاص مضاعف» نامیده می‌شود، در آن از ایده اینشتین در مورد یک ثابت کیهانی استفاده کرده‌اند و با نگه داشتن ثابت سرعت نور ثابت دیگری را نیز در مورد ابعاد بسیار ریز به آن افزوده‌اند، این نگره جدال آمیز می‌تواند گرانش، تورم و انرژی تاریک را توصیف کند. فیزیک‌دان‌ها اکنون در حال بررسی کردن مشاهده‌ها و آزمایش‌هایی هستند که می‌توانند نگره‌های در حال رقابت را آزمایش کنند.

 صرفه به مقیاس³

معمولاً گفته می‌شود که فیزیک کوانتوم روی نور و ذرات کوچکتر از مولکول عمل می‌کند. برخی از پژوهشگران باور دارند که با توجه به اینکه اجسام ماکروسکوپیک اگر درهم‌تنیده نشوند می‌توانند از قوانین کوانتوم تبعیت کنند باید یک نقطه جداکننده وجود داشته باشد که آن‌جا فیزیک کلاسیک تمام شود، همانند نقطه‌ای که کشش ضعیف گرانش دیگر نیروها را درهم می‌شکند.

مطمئناً گروه‌های مهار شده از اتم ها و فوتون ها که از قوانین کوانتوم پیروی می‌کنند نویدهای تکنولوژیکی بزرگی را در دست دارند، یک کار نوین در این زمینه سرد کردن اتم ها تا نزدیک صفر مطلق بود که شکل‌های جدیدی از ماده با نام چگالیده بوز – اینشتین و چگالیده فرمیونی را ایجاد کرد. این‌ها برای تولید پرتوهای لیزر ساخته شده از اتم ها استفاده شده‌اند که الگوهای دقیقی را روی سطوح برش می‌زنند و ممکن است روزی به ابررساناهایی منجر شوند که در دمای اتاق کار کنند.

پی نوشت:

[۱] گره در شبکه‌های ارتباطی به نقطه اتصالی گفته می‌شود که یا نقطه انشعاب و یا نقطه پایانی ارتباط است.

[۲] یک دروازه منطقی روی تعدادی ورودی عملیات منطقی انجام می‌دهد و سرانجام یک خروجی را تولید می‌کند.

[۳] صرفه‌ به مقیاس مفهومی در اقتصاد خرد است که به کاهش هزینه‌ها در اثر افزایش حجم تولید گفته می‌شود. در اینجا به افزایش بهره‌وری در صورت استفاده از توانایی‌ها و ویژگی‌های فیزیک کوانتومی در اجسام ماکروسکوپیک اشاره دارد.

جستجوی “کف کوانتومی” هدف یک آزمایش ساده‌ در جستجوی رازهای پاد ماده