11 دقیقه
موجهای کوانتومی تا چه اندازه میتوانند بزرگ شوند قبل از آنکه رفتارشان از ماهیت کوانتومی به رفتار اجسام صلب روزمره تبدیل شود؟ آزمایشهای جدید این مرز را فراتر از آنچه بسیاری از فیزیکدانان پیشبینی میکردند بردهاند.
گروهی از دانشگاه وین و دانشگاه دویسبورگ-اسن گزارشی منتشر کردهاند که نشان میدهد تداخل از ذرهای بهطور شگفتآوری بزرگ مشاهده شده است: خوشهای بسیار سرد از اتمهای سدیم که حدود هشت نانومتر پهنا دارد و بیش از 170,000 واحد جرم اتمی (amu) وزن دارد. این اندازهٔ جرم، خوشه را در حد و اندازهٔ بسیاری از پروتئینهای بزرگ و حتی برخی ویروسهای کوچک قرار میدهد. با اینحال، تحت شرایط مناسب، این خوشه مانند یک موج رفتار کرد.
این موضوع شاید تناقضآمیز بهنظر برسد، اما مکانیک کوانتومی ذرات را بر اساس رفتار موجی آنها تعریف میکند. پیش از اندازهگیری، یک جسم کوانتومی در یک مکان مشخص قرار ندارد؛ بلکه در حالت تراكب (superposition) قرار دارد—یعنی بهصورت همزمان در چند حالت ممکن حضور دارد. این خواص موجی را معمولاً در الکترونها و فوتونها بهوضوح میبینیم؛ اما دیدن آنها در جسمهایی که حاوی هزاران اتم هستند بسیار دشوارتر است. تعامل با محیط بهسرعت این تراكبهای شکننده را از بین میبرد؛ فرآیندی که بهعنوان فروپاشی همدوسی یا دکوهرنس (decoherence) شناخته میشود.
آزمایش از یک تداخلسنج (interferometer) استفاده کرد که از توالی شیارهای پراش (diffraction gratings) ساختهشده با نور لیزر فرابنفش تشکیل شده بود. خوشههای سدیم ابتدا خنک شدند، سپس از یک شیار اولیه عبور داده شدند که آنها را به مسیرهای بسیار باریک و کنترلشده مجبور میکرد. فراتر از آن مانع، ذرات به صورت موج منتشر شدند و طول موج مؤثر آنها بین حدود 10 تا 22 کوادریلیونومِ متر (قریب به 10−15 تا چند×10−15 متر) قرار گرفت—اعدادی که نشان میدهد شیارهای تداخلی چقدر نسبت به اندازه ذره بسیار کوچکاند. شیارهای بعدی الگو را واکاوی کردند و تأیید نمودند که خوشهها در تراكبی از مسیرها حرکت کردهاند نه بهصورت گلولههای نقطهایِ منفرد.
از منظر نظری، این نتایج میتواند با استفاده از معادلهٔ دِ بروگلی (de Broglie) توجیه شود: λ = h/p؛ طول موج ماده (λ) با تکانهٔ ذره (p) رابطهٔ معکوس دارد و ثابت پلانک (h) نقش محوری ایفا میکند. برای یک خوشهٔ با جرمِ چندصد هزار واحد جرم اتمی و سرعتهای آزمایشیِ معمولی، طول موج دِ بروگلی بسیار کوچک میشود و به همین دلیل مشاهدهٔ تداخل نیازمند ابزارها و محیطی با آشکارسازی فوقالعاده دقیق و خلا و کنترل حرارتی بالا است.
«بهطور شهودی، انتظار میرود چنین تودهٔ بزرگ فلزی مانند یک ذرهٔ کلاسیک رفتار کند»، سباستین پِدالینو، نویسندهٔ ارشد مطالعه و دانشجوی دکتری در دانشگاه وین، میگوید. «اینکه هنوز تداخل مشاهده میشود نشان میدهد مکانیک کوانتومی حتی در این مقیاس هم صادق است و نیازی به مدلهای جایگزین ندارد.»
تیم پژوهشی پدیدهای را که فیزیکدانان آن را «دلوکالیزاسیون» (delocalization) مینامند مشاهده کرد: مرکز جرم خوشهها در طول پرواز بدون مشاهدهٔ آنها در دستگاه ثابت نبود. این دلوکالیزاسیون مسافتهایی را پوشش داد که چندین برابر اندازهٔ یک خوشهٔ منفرد بود. بهزبان ساده: این تودههای فلزی برای مدتی مانند امواجِ پخششده و نه دانههای جمعشدهٔ ماده رفتار کردند.
خوشههای سدیم در حدود 200,000 واحد جرم اتمی بهعنوان ذرات کوانتومی رفتار کردند؛ اندازه و جرمی قابل مقایسه با پروتئینهای بزرگ و ویروسهای کوچک.
چرا این موضوع اهمیت دارد و گام بعدی چیست
در مقیاسهای ماکروسکوپیک، معمولاً فروپاشی همدوسی برنده است. اشیای روزمره با مولکولهای هوا، فوتونهای حرارتی و میدانهای مزاحم تعامل دارند؛ این تعاملها بهسرعت جسم را با محیطش درهمتنیده کرده و نتیجهای مشخص را تحمیل میکنند. بههمیندلیل هیچگاه صندلیها یا گربهها را در دو جای همزمان نمیبینیم. اما هر مشاهده از این دست—از جمله این آزمایش با خوشههای سدیم—مرز را عقب میراند و نشان میدهد قوانین کوانتومی میتوانند تا مقیاسهای مزوسکوپی (mesoscopic) ادامه یابند، یعنی فراتر از آنچه معمولاً تصور میشد.
اهمیت این نتایج هم کاربردی و هم فلسفی است. از جنبهٔ کاربردی، تسلط بر تداخل ذرات بزرگتر به توسعهٔ حسگرهای کوانتومی و تکنیکهای اندازهگیری دقیق کمک میکند و مهندسان را در طراحی سیستمهایی که دکوهرنس را کاهش میدهند، یاری میرساند. از منظر فلسفی، این نتایج پرسشهای بنیادیتری را شدت میبخشند: آیا تراكبها واقعاً به یک واقعیت منفرد فرو میریزند یا اینکه هر امکان به شاخهای در چندجهانیِ گستردهتر تبدیل میشود—تفسیری که برخی پژوهشگران آن را ترجیح میدهند.
مقالهای که نتایج را گزارش کرده و در مجلهٔ Nature منتشر شده، محدودیتی نهایی در مورد اینکه یک موج کوانتومی تا چه اندازه میتواند بزرگ باشد اعلام نمیکند. بهجای آن، یک نشاندهندهٔ روشن فراهم میکند: خوشههایی متشکل از هزاران اتم همچنان از قوانین مکانیک کوانتومی تبعیت میکنند، مشروط بر اینکه ایزولاسیون و کنترل لازم اعمال شود. رکورد جابهجا شده است. چالش بعدی ساده برای بیان اما دشوار برای تحقق است: تا کجا میتوانیم موج را کش بدهیم قبل از آنکه محیط مجبورش کند به یک حالت کلاسیک تبدیل شود؟
جادهٔ پیش رو میتواند به دو مسیر متفاوت منتهی شود: یکی فناوریهای کوانتومی مقاومتر و دیگری معماهای عمیقتر دربارهٔ ماهیت واقعیت. اینکه کدام مسیر طی شود بستگی به آزمایشهای آتی دارد. فعلاً پیام روشن و آرامشبخش است: رفتار کوانتومی محدود به دنیای اتمی نیست؛ با صبر و ابزار مناسب، در جاهایی ظاهر میشود که کمتر انتظارش را داریم.
برای درک بهتر اهمیت میزان جرم و اندازهٔ ذرات در مشاهدهٔ رفتار موجی، لازم است چند جزئیات تجربی و نظری را بررسی کنیم. نخست اینکه طول موج دِ بروگلی با افزایش جرم ذره کاهش مییابد؛ بنابراین برای ذرات سنگینتر، طول موج به محدودههای بسیار کوچک کشیده میشود که آشکارسازی تداخل را پیچیده میکند. دوم، منابع اصلی دکوهرنس، مانند برخورد با مولکولهای گازی، انتشار فوتونهای حرارتی از جسم گرم، و جذب یا انتشار تابش محیطی، وابسته به اندازه، دما و مادهٔ ذرات است. کاهش این منابع نیازمند خلا بسیار بالا، خنکسازی تا دماهای پایین و استفاده از منابع نور مناسب برای آشکارسازی و دستکاری است.
در این آزمایش خاص، استفاده از مشبکهای پراشِ ساختهشده با نور فرابنفش نوعی راهکار عملی بود تا بدون تماس مکانیکی مستقیم با ذرات، آنها را در معرض الگوی تداخلی قرار دهند. این شیوه مشابهِ روشهای کاپیتزا-دیرک (Kapitza–Dirac) و تالبوت-لاو (Talbot–Lau) در تداخلسنجی ماده است، اما با تنظیمات ویژه برای خوشههای مِتوکافی بزرگتر طراحی شده تا اثر پراش و تداخل قابل اندازهگیری باشد.
روشهای آینده برای گسترش این نتایج چند محور اصلی دارند: افزایش جرم و اندازه ذرات آزمایشی، بهبود ایزولاسیون محیطی (مثلاً با خلا بالاتر و کنترلهای حرارتی دقیقتر)، استفاده از خنکسازی فعال (از جمله خنکسازی لیزری یا تماسگری با بردارهای سرد) و توسعهٔ تکنیکهای آشکارسازی حساستر که بتوانند یگانگیهای تداخل را در مقیاسهای طول موج بسیار کوچک ثبت کنند. علاوه بر این، تحقیقات در حوزهٔ مکانیک کوانتومیِ لِوِیتِیت شده (levitated systems) و نانوذراتِ اپتوماکانیکی (optomechanical nanoparticles) چشماندازهای جدیدی را باز میکنند تا آزمایشها را به جرمهای بالاتر و زمانهای همدوسی طولانیتر ببرند.
یکی از سوالهای کلیدی در این مسیر مربوط به مدلهای فروپاشیِ جایگزین است. مدلهایی مانند گِیم-ریمر-ویلر (GRW) یا مدلِ فروپاشیِ خودبهخودی (Continuous Spontaneous Localization — CSL) پیشبینی میکنند که تراكبهای کوانتومی در مقیاسهای بزرگ بهطور خودکار فرو میریزند و رفتار کلاسیک پدید میآید. هرگاه آزمایشی بتواند تداخل را در جرمها و اندازههای بالاتر نشان دهد، محدودهٔ پارامترهایی را که این مدلها میتوانند داشته باشند محدود میکند و به بررسی اعتبار یا رد چنین مکانیزمهایی کمک میکند.
از منظر کاربردی، تواناییِ ایجاد و حفظ تداخل در ذرات بزرگ مزایای مستقیمی برای حسگرهای تداخلسنجی ماده (matter-wave interferometric sensors) دارد. چنین حسگرهایی میتوانند در اندازهگیریهای اینرسی، جاذبهسنجی دقیق، آشکارسازی نوسانات کوچک میدانهای گرانشی یا میدانهای الکترومغناطیسی ضعیف و حتی در پژوهشهای مربوط به تغییرات ثابتهای بنیادی نقش ایفا کنند. هرچه تداخل در جرم و ابعاد بزرگتری حفظ شود، حساسیت مطلقِ این حسگرها به برخی پارامترها افزایش مییابد.
همچنین از منظر مهندسی، این نتایج راهکارهایی برای کاهش دکوهرنس در سامانههای کوانتومی ارائه میکنند. طراحی محیطهای خلاِ بالاتر، کنترل تابشِ حرارتی، استفاده از پوششهای سطحی برای کاهش جذب و انتشار فوتون، و مدیریت شارِ انرژیِ جنبشی ذرات، همه از جمله رویکردهایی هستند که میتوانند زمانهای همدوسی را افزایش دهند. در عمل، ترکیب این روشها با فناوریهای مسیر باز و بستهٔ تداخلسنجی میتواند ابزارهای صنعتی و آزمایشگاهی جدیدی ایجاد کند.
در عین حال باید تأکید کرد که مفهوم «بزرگی» در این زمینه فقط به جرم مختص نمیشود؛ هندسه، پراکندگی جرم در خوشه، و خواص ماده نیز نقش دارند. برای مثال دو ساختار با جرم برابر اما شکل و چگالی متفاوت ممکن است واکنش متفاوتی به منابع دکوهرنس نشان دهند. لذا مطالعات مقایسهای بین انواع مختلف خوشهها، مولکولهای بزرگ و نانوذرات از ارزش تحقیقاتی بالایی برخوردار است.
مسائل عملی دیگری که پژوهشگران با آنها مواجهاند شامل تولید تکرارشوندهٔ خوشههای با مشخصهٔ یکنواخت، کنترل سرعت و انرژی جنبشی آنها، و توسعهٔ حسگرهایی با نویز پسزمینهٔ بسیار کم برای ثبت الگوهای تداخلی است. افزون بر این، تحلیل آماری تداخل و استخراج سیگنال از پسزمینهٔ نویزی، به نرمافزارها و روشهای پردازش دادهٔ پیشرفته نیاز دارد تا اطمینان حاصل شود سیگنال مشاهدهشده واقعاً ناشی از تداخل کوانتومی است نه از اثرات کلاسی یا خطاهای آزمایشی.
بهطور خلاصه، این گونه آزمایشها در ادامهٔ تلاشهای چند دههای برای رسیدن به آزمونهایِ دقیقِ اصلِ تراكب و مرزِ کوانتوم-کلاسیک قرار دارند. از آزمایشهای اولیه با الکترون و مولکولهای ساده، به مرور به مولکولهای آلی عظیم مانند فولرِنها و مولکولهای آلی پیچیدهتر، و اکنون به خوشههای فلزیِ سردِ چندصد هزار واحد جرم اتمی رسیدهایم. هر گام نشاندهندهٔ پیشرفت در تکنیکهای ایزولاسیون، تولید نمونه و آشکارسازی است.
آیندهٔ نزدیک احتمالاً شامل ترکیب رویکردها خواهد بود: استفاده از نانوذرات لِوِیتِیت شده در میدانهای اپتیکی یا مغناطیسی برای افزایش زمانهای همدوسی، بهکارگیری خنکسازی فعال برای کاهش انتشار حرارتی و بهبود آشکارسازها برای ثبت الگوریتمهای تداخلی با نسبت سیگنال به نویز بالا. در بلندمدت، این پیشرفتها میتوانند نهتنها فهم ما از بنیادهای مکانیک کوانتومی را عمیقتر کنند، بلکه زیربنای فناوریهای نوینی در حسگری کوانتومی، محاسبات کوانتومیِ مبتنی بر موج ماده و بررسیهایی دربارهٔ قوانین پایهای طبیعت را فراهم سازند.
در پایان، باید یادآور شد که پیام کلی این تحقیق فراتر از یک رکورد آزمایشی است: قوانین کوانتومی انعطافپذیرتر و گستردهتر از آن چیزیاند که پیشتر گمان میرفت. با ابزار مناسب و کنترل دقیق، معیارها و پیشفرضهای سنتی دربارهٔ محدودهٔ کوانتومی به چالش کشیده میشوند و میتوانیم چشمانداز تازهای از مرزهای علم و فناوری را ببینیم.
منبع: sciencealert
ارسال نظر