در هم تنیدگی کوانتومی، شگفت ترین پدیده در فیزیک

آندریاس مولر، 18 اکتبر 2022

مترجم: اصغر ناصری

جایزه نوبل 2022 در فیزیک به سه دانشمند اعطا شد که سهم درخشانی در تشریح یکی از رازآمیزترین پدیده های طبیعی داشتند، درهم تنیدگی کوانتومی (quantum entanglement).

به ساده ترین بیان، درهم تنیدگی کوانتومی به این معنا است که ویژگی های یک ذره از جفتی در هم تنیده به ویژگی های ذره دیگر بستگی پیدا می کند، بدون اینکه فاصله میان آنها یا محیط میان آنها مطرح باشد. برای مثال این ذرات می توانند الکترونها یا فوتونها باشند و ویژگی مورد نظر می تواند حالتی باشد که ذره در آن بسر می برد، مانند جهت چرخش (اسپین) آن.

بخش شگفت درهم تنیدگی کوانتومی این است که وقتی چیزی را درباره یک ذره در یک جفت در هم تنیده اندازه گیری می کنید، بلافاصله چیزی درباره ذره دیگر خواهید دانست حتی اگر بین آنها میلیونها سال نوری فاصله باشد. این ارتباط غریب میان دو ذره آنی است، و بنظر می رسد یکی از قوانین بنیادین طبیعت را زیرپا می گذارد. معروف است که آلبرت اینشتاین این پدیده را "عمل شبح وار از دوردستها" نامید.

این پدیده که بسیار شگفت عمل می کند – زیرا اطلاعات میان دو ذره گویی سریعتر از نور مبادله می شود – در پرتو کار سه برنده جایزه نوبل، آلن اسپکت، جان کلوزر و آنتون زیلینگر روشن تر شده است.

اما حتی تا سالهای دهه 1970 پژوهشگران هنوز درباره اینکه درهم تنیدگی کوانتومی یک پدیده واقعی است، دچار دودستگی بودند. یک دلیل اصلی این بود که کسی جرات نمی کرد با آینشتاین بزرگ مخالفت کند که خود به این پدیده مشکوک بود. توسعه فناوری آزمونهای نوین و پدید آمدن پژوهشگران جسور باعث شد تا این راز برملا شود.

ذرات می توانند در یک زمان در حالت های متعددی وجود داشته باشند

برای درک صحیح شبح وار بودن درهم تنیدگی کوانتومی، لازم است ابتدا "برهم نهی کوانتومی" را درک کنیم. برهم نهی کوانتومی این ایده است که ذرات در یک لحظه از زمان می توانند در حالت های مختلفی وجود داشته باشند. وقتی یک اندازه گیری انجام می شود، مانند این است که ذره یکی از حالت های موجود در برهم نهی را انتخاب می کند.

برای مثال بسیاری از ذرات صفتی به نام اسپین دارند که برای یک جهت گیری خاص ابزار تحلیل (آنالیزر) می تواند در حالت "بالا" یا "پایین" باشد. اما تا زمانی که اسپین یک ذره اندازه گیری شنده است، بطور همزمان در وضعیت برهم نهی اسپین بالا یا پایین قرار خواهد داشت.

به هر حالت یک احتمال نسبت داده می شود و می توان پیامد متوسط اندازه گیری های متعدد را پیش بینی کرد. احتمال اینکه یک اندازه گیری منفرد به اسپین بالا یا پایین برسد به این احتمال ها بستگی دارد اما خود غیرقابل پیش بینی است.

گرچه بسیار غریب بنظر می رسد، ریاضیات و آزمایشاتی بیشمار نشان داده اند که مکانیک کوانتومی واقعیت فیزیکی را بدرستی توصیف می کند.

واقعیت برهم نهی کوانتومی

درهم تنیدگی کوانتومی یکی از نتایج برهم نهی کوانتومی است که برای بنیان گذاران مکانیک کوانتوم در دهه 1920 و 1930 امری روشن بود.

برای ایجاد ذرات در هم تنیده، باید یک سیستم را به دو بخش تفکیک کنید بطوری که در اینجا حاصل جمع بخش ها معلوم است. برای مثال می توانید یک ذره را با اسپین صفر به دو ذره با اسپین های مخالف تفکیک کنید بطوری که مجموع اسپین های آنها صفر باشد.

در سال 1935 آلبرت اینشتاین، بوریس پودولسکی و نیتان روزن مقاله ای منتشر کردند که یک آزمایش فکری را برای نشان دادن عجیب و غریب بودن درهم تنیدگی کوانتومی تشریح می کرد، پدیده ای که یکی از قوانین بنیادی جهان را به چالش می کشید (آینشتاین با نبوغ بی مانند خود طراح آزمایشات فکری بسیاری بود که تنها سالها و چندین دهه بعد با ابداع وسایل علمی پیشرفته درستی آنها به اثبات رسید .مترجم).

نسخه ساده شده ای از این آزمایش فکری که به دیوید بوهم نسبت داده شده است، تلاشی ذره ای به نام مزون پای را در نظر می گیرد. وقتی این ذره متلاشی می شود، یک الکترون و یک پوزیترون تولید می کند که دارای اسپین های مخالف هستند و از یکدیگر دور می شوند. بنابراین اگر اسپین الکترون با اندازه گیری بالا تعیین شود، اسپین اندازه گیری شده پوزیترون تنها می تواند پایین باشد و بالعکس. این امر حتی اگر دو ذره میلیاردها کیلومتر از هم فاصله داشته باشند صحیح خواهد بود.

این امر اگر اسپین اندازه گیری شده الکترون همواره بالا و از آن پوزیترون همواره پایین باشد خوب است. اما مطابق مکانیک کوانتومی، اسپین هر دو ذره می تواند بخشی بالا و بخشی پایین باشد تا زمانی که اندازه گیری شود. تنها وقتی اندازه گیری انجام شود، حالت کوانتومی اسپین به بالا یا پایین " فرو ریخته" و بطور آنی ذره دیگر را در وضعیت اسپین مخالف قرار می دهد. در اینجا بنظر می رسد ذرات با وسیله ای سریعتر از نور با هم مبادله اطلاعات می کنند. اما مطابق قوانین فیزیک، هیچ چیزی نمی تواند سریعتر از نور حرکت کند. مطمئنا حالت اندازه گیری شده یک ذره نمی تواند بطور آنی حالت ذره دیگر را در انتهای جهان تعیین کند!

فیزیکدانان از جمله اینشتاین کبیر، تفاسیری جایگزین از درهم تنیدگی کوانتومی در دهه 1930 ارائه کردند. آنها نظریه ای مطرح کردند که مطابق آن خاصیتی ناشناخته – که متغیرهای پنهان نامیده می شد- حالت یک ذره را پیش از اندازه گیری تعیین می کند. اما در آن زمان فیزیکدانان فناوری یا تعریفی از یک اندازه گیری روشن در دست نداشتند که بتواند تغییرات لازم در نظریه کوانتومی برای دخالت دادن متغیرهای ناشناخته را تعیین کرده و به آزمون بگذارد.

آیا نظریه کوانتومی باید اصلاح شود؟

یافتن کلیدهایی برای یک پاسخ، تا سالهای دهه 1960 طول کشید. جان بل، فیزیکدان برحسته ایرلندی که تا دریافت جایزه نوبل زنده نماند، طرحی برای آزمایش اعتبار متغیرهای پنهان ابداع کرد.

بل معادله ای ابداع کرد که هم اکنون آن را به عنوان نابرابری بل می شناسیم، که همواره درست است و گرچه همواره برای مکانیک کوانتومی درست نیست، در مورد متغیرهای پنهان صدق می کند. بنابراین اگر معادله بل در یک آزمایش واقعی برآورده نشود، نظریات مربوط به متغیرهای پنهان محلی را می توان به عنوان توضیحی بر درهم تنیدگی کوانتومی مردود دانست.

آزمایشات انجام شده توسط برندگان جایزه نوبل 2022، بویژه آنچه آلن اسپکت انجام داد، اولین آزمون نابرابری بل بودند. این آزمایشات بجای جفت الکترون و پوزیترون از فوتونهای در هم تنیده استفاده کردند. نتایج بطور قاطعی وجود متغیرهای پنهان را رد کردند، یعنی صفت رازآمیزی که حالت های ذرات در هم تنیده را از پیش تعیین می کند. این آزمایشات نشان دادند مکانیک کوانتومی واقعا صحیح است و ذرات می توانند در فواصل بزرگ طوری ارتباط متقابل پیدا کنند که توسط فیزیک پیش از مکانیک کوانتومی قابل توضیح نیست.

واقعیت مهم این است که تضادی میان نسبیت خاص که مبادله اطلاعات سریعتر از نور را ممنوع می دارد با این پدیده وجود ندارد. این واقعی که اندازه گیری در فواصل بعید به هم مرتبط اند به این معنا نیست که اطلاعات بین ذرات مبادله می شود. دو فرد که دور از همند و بر روی ذرات در هم تنیده آزمایش انجام می دهند نمی توانند از این پدیده برای مبادله اطلاعات بین هم سریعتر از نور استفاده کنند.

امروزه فیزیکدانان به پژوهش درباره درهم تنیدگی کوانتومی و بررسی کاربرد خاص بر روی ذرات مختلف ادامه یم دهند. گرچه مکانیک کوانتومی می تواند احتمال یک اندازه گیری با دقت خارق العاده را پیش بینی کند، بسیایر پژوهشگران درباره اینکه بتواند توصیف کاملی از واقعیت ارائه دهد مشکوک هستند. یک چیز را با اطمینان می دانیم: هنوز اسرار زیادی درباره دنیای مکانیک کوانتومی وجود دارد.

منبع: Howstuffworks

نوترینوها چیستند؟

منبع: Live Science – 21 فوریه 2019

نوترینوها ذرات درون اتمی گریزپایی هستند که در فرایندهای هسته ای گوناگون هستی می یابند. نام آنها به معنای "ذره خنثای کوچک" است که به بدون بار بودن آنها اشاره دارد. از چهار نیروی بنیادی موجود در عالم، نوترینوها تنها با دو تا از آنها واکنش می کنند: گرانش و نیروی هسته ای ضعیف که مسئول واپاشی رادیواکتیو اتمهاست. تقریبا هیچ جرمی ندارند و با سرعتی نزدیک به سرعت نور در کیهان انتشار می یابند.

در کسر ثانیه ای پس از انفجار بزرگ (Big Bang) تعداد بیشماری نوترینو بوجود آمدند و در سراسر زمان پس از آن نیز نوترینوهای جدیدی در فرایندهای گوناگون خلق شده اند: در قلب هسته ای ستارگان، در شتاب دهنده های ذرات و راکتورهای اتمی موجود بر کره زمین، در طی فروریزش انفجاری ابرنوستاره ها و وقتی عناصر رادیواکتیو دچار واپاشی می شوند. معنای گفته این است که بطور متوسط در عالم تعداد نوترینوها یک میلیارد برابر بیشتر از تعداد پروتون هاست.

با وجود فراوانی آنها، نوترینوها راز بزرگی در برابر فیزیکدانها هستند زیرا شکار آنها بسیار دشوار است. نوترینوها از درون بیشتر مواد چنان به سهولت جریان می یابند که گویی اشعه نوری هستند که از پنجره ای شفاف عبور می کنند و بندرت با هر ماده دیگری واکنش می یابند. تقریبا در این لحظه 100 میلیارد نوترینو از درون بدن شما عبور کرده اند بدون اینکه چیزی حس کنید.

کشف ذرات نامشهود

نوترینوها اولین بار برای حل یک معمای علمی مطرح شدند. در قرن نوزدهم پژوهشگران در مورد پدیده ای به نام واپاشی بتا دچار گیجی شده بودند. در این رخداد هسته درون اتم بطور آنی یک الکترون از خود ساتع می کند. بنظر می رشید واپاشی بتا از دو اصل بنیادین فیزیک یعنی بقای انرژی و بقای اندازه حرکت تخطی می کند. این چنین می نمود که در پیکربندی نهایی ناشی از واپاشی بتا ذرات انرژی بسیار اندکی دارند و پروتون بجای گرفتار شدن در جهت مخالف الکترون ساکن در جای خود می ایستد. تنها در سال 1930 بود که فیزیکدان بزرگ ولفگاگ پاولی این ایده را مطرح کرد که ممکن است ذره دیگری از درون هسته اتم بیرون آید که انرژی و اندازه حرکت گم شده را با خود به بیروه هسته منتقل می کند. پاولی به دوست خود نوشت که با فرض ذره ای غیر قابل آشکار ایده وحشتناکی را مطرح کرده است. نوترینوهای فرضی او چنان وجود شبح واری داشتند که ندرتا به هر چیزی واکنش کرده و جرم اندکی در حد هیچ داشتند.

بیش از یک ربع قرن بعد فیزیکدانانی به نام کلاید کووان و فردریک راینز یک آشکار نوترینو ساخته و آن را در خارج راکتور اتمی نیروگاه رودخانه ساوانا در جنوب کارولاینا قرار دادند. آزمایش آنها توانست تعداد کمی از صدها تریلیون نوترینوی خارج شده از راکتور را آشکار کند. آنها تلگرامی به پاولی در تایید نظریه نوترینوی او ارسال کردند. راینز در سال 1995 جایزه نوبل فیزیک را از آن خود کردند – در آن زمان کووان همکار او درگذشته بود.

از آن زمان تاکنون نوترینوها بطور مداوم با انتظارات دانشمندان تقابل ورزیده اند. خورشید تعدادی بیشماری نوترینو تولید می کند که زمین را بمباران می نمایند. در میانه قرن بیستم پژوهشگران آشکارسازهایی برای جستجوی این ذرات ساختند اما آزمایشات آنها تنها یک سوم نوترینوهای قابل پیش بینی را آشکارسازی کرده است. یا در مدلهایی که ستاره شناسان برای خورشید ساخته اند چیزی اشتباه است یا امر غریب و نامکشوفی اتفاق می افتد که از آن بی خبریم.

فیزیکدانان بالاخره دریافتند که نوترینوها در سه نوع طعم (flavor) می آیند. نوترینوی عادی، نوترینوی الکترون نامیده می شود. دو طعم دیگر نیز وجود دارند: نوترینوی میون (meun) و نوترینوی تاو (tau). وقتی این ذرات فاصله میان خورشید و سیاره ما را طی می کنند بین این سه نوع نوسان می نمایند. به همین دلیل آزمایشات اولیه که تنها برای کشف نوترینوهایی از یک نوع طراحی شده بودند نمی توانستند دو سوم نوترینوها را آشکارسازی کنند.

اما تنها ذرات دارای جرم می توانند اینگونه بین سه نوع نوسان کنند، واقعیتی که با ایده اولیه در مورد بدون جرم بودن نوترینوها نمی خواند. در حالی که دانشمندان جرم دقیق هر سه نوع نوترینو را نمی دانند آزمایشات تعیین کرده ند که سنگین ترین آنها باید حداقل 0.0000059 بار سبکتر از الکترون باشد.

قوانینی جدید برای نوترینوها

در سال 2011 پژوهشگران در پروژه OPERA واقع در ایتالیا اعلام کردند که نوترینوهایی سریعتر از نور یافته اند، نتیجه ای که طبق فرضیات علمی موجود ناممکن بنظر می رسد. گرچه این خبر بطور وسیعی در رسانه ها منتشر شد نتایج این آزمایشات از سوی جامعه علمی با بدبینی زیادی مواجه گردید. کمتر از یکسال بعد فیزیکدانان دریافتند که یک سیم کشی اشتباه باعث محاسبه غلط سرعت نوترینوها شده و آنها سریعتر از نور حرکت نمی کنند.

اما هنوز دانشمندان باید مطالب زیادی درباره نوترینوها یاد بگیرند. اخیرا پژوهشگران آزمایشگاه شتاب دهنده فرمی در نزدیکی شکاگو نوع جدیدی از نوترینو به نام نوترینوی استریل یافته اند. این نوترینوها در چارچوب مدل استاندارد موجود برای تبیین تمام ذرات و نیروهای موجود (بجز گرانش) قرار نمی گیرند. این پژوهشگران معتقدند چارچوب تحلیلی کاملا جدیدی برای توصیف این ذرات باید ابداع شود.