بررسی یک پدیدۀ عجیب کوانتومی

بیگ بنگ: آزمایش معروفی که گربه شرودینگر نام دارد، نشان می‌دهد که گربه در جعبه می‌تواند در یک زمان هم زنده باشد و هم مرده- پدیده عجیب و غریبی که نتیجۀ مکانیک کوانتومی است.

Schrödingers cat

اصل عدم قطعیت جدیدی بیان می کند که اشیاء کوانتومی می‌توانند در یک زمان دو دما داشته باشند، که شبیه به آزمایش معروف گربه شرودینگر است که در آن، یک گربه در جعبه‌ای با عنصر رادیواکتیو می‌تواند هم زنده باشد و هم مرده.

به گزارش بیگ بنگ، اکنون فیزیکدانان دانشگاه اکستر انگلستان دریافته‌اند که ممکن است حالت مشابهی با وضع معلق برای دماها وجود داشته باشد: اشیاء می‌توانند در سطح کوانتومی، همزمان دو دما داشته باشند. این پارادوکس کوانتومی عجیب و غریب، اولین رابطۀ عدم قطعیت کوانتومی کاملاً جدیدی است که در دهه‌های مختلف شکل گرفته است.

اصل دیگر هایزنبرگ

در سال ۱۹۲۷، “ورنر هایزنبرگ” فیزیکدان آلمانی، ادعا کرد که هرچه وضعیت ذره کوانتومی را دقیق‌تر اندازه بگیریم، با دقت کمتری می‌توانیم به موقعیت آن پی ببریم، و برعکس- قاعده‌ای که اکنون با عنوان اصل عدم قطعیت هایزنبرگ معروف شده است. این عدم قطعیت کوانتومی جدید بیان دارد که هرچه دما را دقیق‌تر بدانیم، کمتر می‌توانیم در مورد انرژی آن صحبت کنیم، و برعکس، پیامدهای بزرگی برای علوم نانو دارد. علوم نانو اشیاء فوق‌العاده کوچکی که کوچکتر از نانومتر هستند را بررسی می‌کند. طبق گفتۀ دانشمندان در مطالعه‌ای جدید که بتازگی در مجله Nature Communications منتشر شده، این اصل نحوۀ اندازه‌گیری دمای چیزهای بسیار کوچک از قبیل نقطه‌های کوانتومی، نیمه‌رساناهای کوچک یا سلول‌های واحد، توسط دانشمندان را تغییر می‌دهد.

در دهۀ ۱۹۳۰، “هایزنبرگ” و “نیلز بور” فیزیکدان دانمارکی، رابطه عدم قطعیتی بین انرژی و دما در مقیاس کوانتومی ارائه دادند. این ایده این بود که اگر بخواهید دمای دقیق شیئی را بدانید، بهترین و دقیق‌ترین شیوه علمی برای این کار این است که آن شیء را در «مخزنی» با دمای معلوم – مثلاً وانی پر از آب، یا یخچالی پر از هوای سرد- غوطه‌ور کنید و اجازه دهید که شیء به آرامی به دمای آن مخزن برسد. که این، تعادل گرمایی نامیده می‌شود.

با این حال شیء و مخزن که دائماً در حال تبادل انرژی هستند، آن تعادل گرمایی را حفظ می‌کنند. سپس انرژی در شیء به طور حیرت‌انگیزی بالا و پایین می‌رود و تعریف دقیق را غیرممکن می‌سازد. از طرف دیگر، اگر بخواهید انرژی دقیق در شیء را بدانید، باید آن را جدا کنید تا نتواند با هیچ چیزی تماس داشته باشد و نتواند با هیچ چیزی تبادل انرژی کند. اما اگر آن را جدا کردید، دیگر نمی توانید با استفاده از مخزن، دمای آن را به طور دقیق اندازه‌گیری کنید. این محدودیت باعث می‌شود که دما نامعلوم شود. در مقیاس کوانتومی اتفاق‌های عجیب و غریب‌تری می‌افتد.

یک رابطۀ عدم قطعیت جدید

حتی اگر دماسنجی معمولی دارای انرژی‌ای باشد که کمی بالا و پایین رود، آن انرژی هنوز می‌تواند در محدودۀ کوچکی معلوم باشد. تحقیقات جدید نشان می‌دهد که این امر در سطح کوانتومی هرگز درست نیست و همۀ اینها به خاطر گربه شرودینگر است. آن آزمایش فکری، گربه‌ای تئوری را درون جعبه‌ای با موقعیتی که می‌تواند توسط فروپاشی ذرۀ کوانتومی فعال شود، فرض می‌کند. طبق قوانین مکانیک کوانتومی، ذرات می‌توانند همزمان هم فروپاشیده شوند و هم فروپاشیده نشوند؛ یعنی تا زمانی که درب جعبه باز شود، گربه همزمان هم زنده و هم مرده! پدیده‌ای که برهم‌نهی نامیده می‌شود.

پژوهشگران برای پیش‌بینی دقیق نحوه تأثیر گذاشتن برهم‌نهی بر اندازه‌گیری دمای اشیاء کوانتومی، از ریاضیات و نظریه‌ها استفاده کردند. “هری میلر”، یکی از فیزیکدانان دانشگاه اکستر که این اصل جدید را ارائه داده‌اند گفت: «در مورد کوانتوم، دماسنج کوانتومی… به طور همزمان در حالت برهم‌نهی انرژی است. یافته ما نشان میدهد که دماسنج دیگر انرژیِ خوب‌ تعریف‌شده‌ای ندارد و در واقع همزمان در ترکیبی از حالت‌های مختلف قرار دارد، این امر منجر به عدم قطعیت در دمایی که می‌توانیم اندازه‌گیری کنیم، می‌شود.»

در دنیای ما، دماسنج به ما می‌گوید که دمای شیئی بین ۳۱ و ۳۲ درجه فارنهایت (۰٫۵ و صفر درجه سلسیوس) است. در دنیای کوانتومی، دماسنج به ما می‌گوید که شیء همزمان هر دوی این دماها را دارد. این اصل جدید عدم قطعیت پاسخگوی آن غرابت و عجیب بودنِ کوانتومی است. تعاملات بین اشیاء در مقیاس کوانتومی می‌تواند برهم‌نهی‌ها و همچنین انرژی ایجاد کند. رابطۀ قدیمی عدم قطعیت، این تأثیرات را نادیده می‌گیرد زیرا به اشیاء غیرکوانتومی توجهی ندارد. اما وقتی سعی می‌کنید دمای نقطه‌ای کوانتومی را اندازه بگیرید، این مسائل بسیار مهم می‌شود؛ و این رابطۀ جدید عدم قطعیت، چارچوبی نظری را برای در نظر گرفتن این تعاملات ارائه می‌دهد.

“میلر” گفت این مقالۀ جدید می‌تواند به هر کسی که در حال طراحی آزمایشی برای اندازه‌گیری تغییرات دما در اشیاء در مقیاس‌های کوچکتر از نانومتر است، کمک کند. «نتایج ما دقیقاً به محققان نشان می‌دهد که چگونه کاوشگرهای خود را به طور درست و دقیق طراحی کنند و چگونه اصل عدم قطعیت کوانتومی را مد نظر قرار دهند.»

ترجمه: زهرا جهانبانی/ سایت علمی بیگ بنگ

منبع: livescience.com

دیدگاهتان را بنویسید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *