.svg)
۹ افسانه و حقیقت درباره فیزیک کوانتوم
پارسینه: در این مطلب چند مورد از افسانه‌ها و حقایق پشت فیزیک کوانتوم را مرور خواهیم کرد.
برای چندین سده، قوانین فیزیک کاملا جبری به نظر می‌رسیدند. اگر می‌دانستید هر ذره کجاست، با چه سرعتی حرکت می‌کند و در هر لحظه چه نیرویی میان ذرات است، می‌توانستید دقیقا بدانید که در هر نقطه از آینده کجا بوده و چه می‌کنند.
از نیوتون تا مکسول، قوانینی که بر جهان حکمرانی می‌کردند ذره‌ای جای تردید باقی نمی‌گذاشتند. تنها محدودیت بشر، میزان دانش، روش‌های اندازه‌گیری و قدرت محاسباتی بود.
تمام این‌ها اندکی بیشتر از ۱۰۰ سال پیش دچار تغییر شد. از پرتوزایی و اثر فوتوالکتریک گرفته تا رفتار نور هنگامی که آن را از دو شیار عبور می‌دهید، همگی باعث شدند متوجه شویم که در بسیاری از شرایط‌های مختلف، ما تنها قادر به پیش‌بینی احتمال خروجی‌ها مختلفی هستیم که در واقع پیامدهای ماهیت کوانتومی جهان به حساب می‌آیند. ولی با این مکاشفه و ترسیم تصویری از حقیقت، بی‌شمار افسانه و تصور اشتباه هم شکل گرفت.
بیایید چند مورد از این افسانه‌ها و حقایق پشت‌شان را مرور کنیم.
۱. اثرات کوانتومی تنها در ابعاد کوچک اتفاق می‌افتد
وقتی به اثرات کوانتومی فکر می‌کنیم، معمولا به فکر ذرات (یا امواج) خاص و بی‌نهایت کوچکی می‌افتیم که خواص عجیبی از خود به نمایش می‌گذارند. اما اثرات ماکروسکوپی و در ابعاد وسیعی هم در جهان رخ می‌دهند که در ذات کوانتومی هستند.
فلزات رسانایی که تا حرارت مشخصی خنک شوند، خاصیت ابر رسانایی می‌یابند: این ماجرا مربوط به زمانیست که مقاومت‌شان به صفر می‌رسد. ساخت شیارهای ابر رسانایی که آهن‌ربا بر فرازشان شناور می‌شود و بدون کاهش سرعت به دورشان می‌چرخند، این روزها یک پروژه آزمایشی دانشجویی رایج به حساب می‌آید و به آسانی اثرات کوانتومی را نشان می‌دهد.
ابر شاره‌ها را می‌توان در ابعاد وسیع و ماکروسکوپی تولید کرد و همینطور طبل‌های کوانتومی را که به صورت همزمان می‌لرزند و نمی‌لرزند. طی ۲۵ سال اخیر، ۶ جایزه نوبل به شش محققی که روی پدیده‌های کوانتومی ماکروسکوپی پژوهش کرده‌اند تعلق گرفته.
۲. کوانتوم همیشه به معنای «ناپیوسته» است
ایده اینکه یک ماده (یا انرژی) را تبدیل به دو یا چهار بخش مجزا کنیم، مفهومی مهم در فیزیک است که البته به خوبی معنای ماهیت «کوانتومی» یک چیز را در بر نمی‌گیرد. برای مثال یک اتم را در نظر بگیرید. اتم‌ها از هسته‌ای اتمی تشکیل شده‌اند که الکترون‌ها به دورش می‌گردند.
حالا به این پرسش فکر کنید: الکترون در هر لحظه از زمان کجاست؟
حتی با اینکه الکترون ماهیت کوانتومی دارد، جای دقیقش تا زمانی که اندازه‌اش نگیرید مشخص نیست. حالا انبوهی از اتم‌ها را برداشته و بهم متصل کنید (مثل یک رسانا) و به این کشف می‌رسید که گرچه الکترون‌ها سطوح ناپیوسته‌ای از انرژی دارند، جای دقیق‌شان به معنای واقعی کلمه، هر جایی درون رسانا است. بسیاری از اثرات کوناتومی در ذات پیوسته هستند و کاملا محتمل است که فضا و زمان هم در سطح ابتدایی و کوانتومی، پیوسته باشند.
۳. گره کوانتومی باعث می‌شود اطلاعات سریع‌تر از نور منتقل شوند
بیایید یک آزمایشی کنیم:
- دو ذره بسازید که به یکدیگر گره خورده‌اند
- آن‌ها را با فاصله‌ای بسیار، از یکدیگر جدا کنید
- خواص کوانتومی (مانند سرعت گردش) یکی از ذرات را اندازه بگیرید
- و به صورت آنی به اطلاعات وضعیت کوانتومی ذره دیگر هم دسترسی دارید: سریع‌تر از سرعت نور.
اما این آزمایش یک مشکلی دارد: هیچ اطلاعاتی با سرعت بالاتر از سرعت نور مخابره نمی‌شود. تمام اتفاقی که دارد می‌افتد اینست که با اندازه‌گیری وضعیت یک ذره، در حال محدودسازی احتمالات مربوط به ذره دیگر هستید. اگر یک نفر برود و خواص ذره دیگر را اندازه بگیرد، هیچ راهی برای فهمیدن این نخواهد داشت که ذره نخست اندازه‌گیری شده. در واقع گره میان دو ذره از بین رفته است.
تنها راه برای تشخیص از بین رفتن گره اینست که نتایج دو اندازه‌گیری را دوباره کنار هم قرار دهید: پروسه‌ای که تنها با سرعت نور یا کمتر از آن اتفاق می‌افتد. هیچ اطلاعاتی با سرعت بیشتر از نور منتقل نمی‌شود و این موضوع در سال ۱۹۹۳ اثبات شد.
۴. اصل برهم‌نهی از پایه‌های فیزیک کوانتوم است
تصور کنید چندین وضعیت کوانتومی محتمل برای یک سیستم دارید. سیستم شاید در وضعیت «الف» با احتمال ۵۵ درصد باشد، شاید در وضعیت «ب» با احتمال ۳۰ درصد و شاید در وضعیت «پ» با احتمال ۱۵ درصد. اما هربار که به سراغ اندازه‌گیری بروید، قرار نیست ترکیبی از این وضعیت‌های احتمالی داشته باشید: شما تنها یک خروجی دارید که یا «الف» است، یا «ب» و یا «پ».
برهم‌نهی در محاسبات سطح متوسط و برای تشخیص خروجی‌ها (و احتمالات) امکان‌پذیر کارآمد است، اما هیچوقت نمی‌توانیم آن‌ها را مستقیما اندازه‌گیری کنیم. علاوه بر این، برهم‌زنی به صورت یکسان با تمام روش‌های اندازه‌گیری سازگاری ندارد. برخلاف گره کوانتومی که از پدیده‌های بنیادین این فیزیک است، برهم‌نهی قابل سنجش یا به صورت یکپارچه قابل اندازه‌گیری نیست.
۵. اشکالی ندارد اگر هرکدام از ما تفاسیر کوانتومی خودمان را داشته باشیم
فیزیک درباره تمام چیزهاییست که می‌توانید در این جهان پیش‌بینی، مشاهده و اندازه‌گیری کنید. اما در فیزیک کوانتوم، راه‌های مختلفی برای نگاه کردن به آنچه در سطح کوانتومی اتفاق می‌افتد وجود دارد و همگی هم با آزمایش‌های مختلف سازگارند. واقعیت می‌تواند:
- مجموعه‌ای از توابع موجی کوانتومی باشد که وقتی اندازه‌گیری صورت می‌گیرد، فورا «فرو می‌پاشند»
- مجموعه‌ای نامحدود از امواج کوانتومی باشد که اندازه‌گیری تنها یکی از آن‌ها امکان‌پذیر است
- برهم‌نهیِ پتانسیل‌هایی رو به جلو و رو به عقب باشد که به صورت کوانتومی با یکدیگر «دست می‌دهند»
- تعداد نامحدودی از جهان های محتمل باشد که منطبق بر خروجی‌های احتمالی است و ما صرفا در یکی از مسیرها هستیم
و نگاه‌های دیگری هم وجود دارد. با این همه، برگزیدن یکی از این نقطه نظرها نسبت به دیگری، هیچ نتیجه‌ای برایمان به همراه ندارد. بهتر است یاد بگیریم که در شرایط گوناگون، قادر به رصد و اندازه‌گیری چه چیزی هستیم تا اینکه تعبیری که هیچ مزایای آزمایشی ندارد را به دیگری ترجیح دهیم.
۶. تله‌پورت به لطف مکانیک کوانتوم امکان‌پذیر است
نوعی پدیده حقیقی داریم که تحت عنوان تله‌پورت کوانتومی شناخته می‌شود، اما قطعا به این معنا نیست که امکان تله‌پورت فیزیکی یک جسم از نقطه‌ای به نقطه دیگر وجود دارد. اگر دو ذره درهم گره خورده را بردارید و یکی را نزدیک خود نگه دارید و دیگری را به مقصد دلخواه بفرستید، می‌توانید اطلاعات یک وضعیت کوانتومی نامشخص را از یک طرف به طرف دیگر منتقل کنید.
اما این اتفاق محدودیت‌هایی بزرگ دارد: مثلا اینکه تنها با ذرات واحد جواب می‌دهد و تنها اطلاعات وضعیت کوانتومی را تله‌پورت می‌کند، نه خود ماده فیزیکی را. حتی اگر بتوانید ابعاد اطلاعات مخابره شده کوانتوم را گسترش دهید و کاری کنید که یک انسان کامل رمزگذاری شود، باز هم ارسال اطلاعات با ارسال ماده یکی نیست: با تله‌پورت کوانتومی، هیچوقت قادر به تله‌پورت یک انسان نخواهید بود.
۷. همه‌چیز در جهان کوانتوم متغیر است
برخی چیزها متغیر هستند، اما بسیاری دیگر در جهان کوانتوم کاملا شناخته شده و معین هستند. برای مثال اگر یک الکترون داشته باشید، قادر به آگاهی از جای دقیقش و گشتاورش و همینطور گشتاور زاویه‌دارش در جهات مختلف نخواهید بود. تحت هر شرایطی. اما چیزهای دیگری درباره الکترون‌ها وجود دارد که دقیقا می‌توانید از آن‌ها باخبر باشید. می‌توانیم جرم آن، بار الکتریکی‌اش و طول عمرش (که به نظر می‌رسد بی‌نهایت باشد) را با اطمینان کامل مشخص کنیم.
۸. تمام ذراتی که یک جنس دارند، جرم‌شان نیز یکی است
اگر بتوانید دو ذره یکسان بردارید -مانند دو پروتون یا دو الکترون- و آن‌ها در مقیاسی کاملا دقیق با یکدیگر قرار دهید، دو ذره همواره جرمی برابر با هم خواهند داشت. اما صرفا به این خاطر که پروتون‌ها و الکترون‌ها، ذراتی باثبات با طول عمری بی‌نهایت هستند.
در عوض اگر به سراغ ذراتی بی‌ثبات بروید که بعد از مدتی مستهلک شده‌اند -مانند دو بوزون هیگز- و آن‌ها را در مقیاسی کاملا برابر قرار دهید، به نتایجی یکسان نمی‌رسید. به این خاطر که عدم قطعیت میان انرژی و زمان ذاتی است: اگر یک ذره برای مدتی محدود زنده باشد، بنابراین قطعیتی هم راجع به انرژی درون ذره وجود ندارد.
۹. اینشتین خودش مکانیک کوانتوم را تکذیب کرد
این حقیقت دارد که اینشتین در جمله‌ای معروف گفت: «خدا با جهان تاس‌بازی نمی‌کند». اما بحث درباره اتفاقی بودن ذاتی و بنیادین مکانیک کوانتوم -که تا حدی در این جمله نمود پیدا می‌کند- در واقع بحث بر سر اینست که چه برداشتی باید از مکانیک کوانتوم داشت، نه بحثی بر سر وجود خود مکانیک کوانتوم.
ماهیت بحث اینشتین این بود که احتمالا جهان رمز و رازهایی فراتر از آنچه می‌توانیم رصد کنیم دارد و اگر از قوانینی که کشف نشده‌اند سر در بیاوریم، احتمالا تمام بی‌نظمی‌ها و اتفاقی بودن‌ها، ما را به حقیقتی عمیق‌تر و غیر اتفاقی برسانند.
منبع: دیجیاتو
ارسال نظر