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

دانشمندان یک ذره نانو را تا حد کوانتومی سرد کردند.

دانشمندان یک ذره نانو را تا حد کوانتومی سرد کردند.

فیزیکدانان یک ذره نانو را تا پایین ترین حدی که مکانیک کوانتومی اجازه می دهد سرد کردند. میزان جنبش این ذره به حدی پایین آورده شد که حالت پایه ای (ground state) نامیده یم شود. این میزان پایین ترین سطح انرژی ممکن برای یک ذره است.

در یک ماده نوعی، میزان جنبش ذرات نمایانگر دمای آن است. اما در حالت ذرات نانو، فیزیکدانان می توانند یک دمای موثر مبتنی بر حرکت کل ذره ای تعریف کنند که از حدود 100 اتم تشکیل شده است. این دما به دوازده میلیونیوم کلوین رسیده است.

مارکوس آسپل مه یر از دانشگاه وین و همکارانش با شناور ساختن ذره نانو به کمک لیزر در یک حفره با طراحی خاص توانسته اند جنبش آن را به حالت پایه برسانند، یعنی کمترین سطح انرژی که طبق اصل عدم قطعیت تعریف می شود. مطابق این اصل دانستن همزمان موقعیت و اندازه حرکت یک شیء دارای حد معینی از درستی و عدم قطعیت است. هر اندازه که موقعیت یک ذره را با درستی تعیین کنیم در تعیین اندازه حرکت آن دارای خطای بیشتری خواهیم شد.

در حالی که مکانیک کوانتومی درباره اتمها و الکترونها خطا نمی کند، مشاهده اثرات آن بر اشیای بزرگتر دشوارتر است. ذرات نانو دارای این مزیت هستند که جنبش آنها را می توان توسط لیزر به دقت کنترل کرد.

آسپل مه یر و همکارانش می خواهند از ذرات نانوی ابرسرد شده برای مطالعه چگونگی رفتار گرانش بر اشیای کوانتومی استفاده کنند، یعنی قلمروی از فیزیک که درک ضعیفی از آن داریم. این رویای دیرین دانشمندان است.

منبع: https://www.sciencenews.org/article/scientists-cooled-nanoparticle-quantum-limit-ground-state