خیز داشمندان برای حل معمای بزرگ فیزیک کوانتوم

 دانشمندان دریافته‌اند چگونه می‌توانند گربه‌ی شرودینگر را پرورش دهند و نمونه‌‌های بزرگ‌تری از آن را تولید کنند. آن‌ها در نظر دارند با توسل به این روش، درک ما از حد نهایت فیزیک کوانتوم را افزایش دهند. البته گفتنی است که در اینجا منظور از «گربه‌‌های شرودینگر»، گربه‌های واقعی نیست، آن‌ها در واقع نوعی برهم‌نهی  کوانتومی از دو حالت با مشخصات متضاد هستند.

اگر محققان بتوانند گربه‌ی شرودینگر را به‌اندازه‌ی کافی بزرگ کنند، آنگاه می‌توانند دریابند که دقیقا در کدام نقطه یک شیء از دنیای کوانتومی وارد دنیای فیزیک کلاسیک می‌شود. مرز بین فیزیک کوانتومی و فیزیک کلاسیک در واقع نقطه‌ی انفصال دنیای میکروسکوپیک و ماکروسکوپیک را مشخص می‌کند؛ مرزی که دانشمندان دهه‌ها است به دنبال شناسایی آن هستند. الکساندر لووافسکی، فیزیکدان مرکز کوانتوم روسیه و سرپرست تیم تحقیقاتی دانشگاه کلگری می‌گوید:

یکی از معماهای بنیادین فیزیک، مرز بین دنیای کلاسیک و دنیای کوانتوم است. آیا پدیده‌ی کوانتوم در شرایط ایده‌آل می‌تواند در اشیاء ماکروسکوپیک مشاهده شود؟ نظریه‌ی کوانتوم پاسخی به این سؤال نمی‌دهد، شاید اصلا چنین مرزی وجود نداشته باشد. اما به هر حال ما به ابزاری نیاز داریم تا این موضوع را ثابت کنیم.

ایده‌ی اصلی و ساده‌ی مربوط به آزمایش گربه‌ی شرودینگر این است که شما اگر یک گربه‌ی زنده را در داخل یک جعبه‌ی ضد بمب به همراه یک بمب قرار دهید، تا زمانی که داخل جعبه را باز نکنید نخواهید دانست که آیا بمب منفجر شده و گربه مرده است یا این‌که بمب هنوز منفجر نشده و گربه زنده است.

از نقطه‌نظر بیننده تا زمانی که در جعبه باز نشده است، گربه دو واقعیت را اشغال کرده است. گربه هم مرده و هم زنده است؛ چرا که ما نمی‌دانیم کدام حالت، رنگ واقعیت به خود گرفته است، اما می‌دانیم هر دوی این حالت‌ها می‌توانند به واقعیت تبدیل شوند.

این آزمایش تنها یک سؤال تئوریک نیست. در مکانیک کوانتوم داشتن دو وضعیت با نام برهم‌نهی کوانتومی شناخته می‌شود و همین موضوع ایده‌ی اصلی محاسبات کوانتومی است. محاسبات کوانتومی در آینده می‌تواند انقلابی در روش پردازش اطلاعات ایجاد کند.

از زمان پیشنهاد این ایده در سال ۱۹۳۵، فیزیک‌دانان همواره به دنبال طراحی آزمایشی برای بررسی این سناریو بوده‌اند. در این آزمایش از فوتون‌های امواج میکروویو واقعی استفاده می‌شود. این فوتون‌ها هم‌زمان به‌صورت عمودی و افقی قطبیده می‌شوند، تا این‌که شخصی نحوه‌ی قطبیده شدن آن‌ها را مشخص کند (مشاهده کند). از گذشته تاکنون هیچ‌گاه نام مستعار گربه برای این فوتون‌ها کنار گذاشته نشده است.

فیزیک‌دانان با استفاده از این تکنیک، دو عدد گربه‌ی شرودینگر تولید کردند که البته همان‌طور که گفتیم ذرات واقعی نور بودند و نه گربه‌‌های واقعی و آن‌ها را هم‌زمان در داخل دو جعبه‌ی کوانتومی قرار دادند. محققان در اواخر سال گذشته برای اولین بار توانستند این پدیده را در ابعاد اتمی فیلم‌برداری کنند.

اما اکنون لووافسکی و تیمش توانسته‌اند گربه‌های بزرگ‌تری تولید کنند؛ گربه‌هایی با دامنه‌هایی بزرگ‌تر از همیشه. هدف از انجام این آزمایش دست‌یابی به یک برهم‌نهی از دو موج نور همسان (یکرنگ) است، جایی که میدان‌های ناشی از امواج الکترومغناطیسی به‌صورت هم‌زمان در دو جهت متضاد قرار گرفته‌اند. سپس محققان با گذراندن این امواج از درون یک پرتوشکن، گربه‌هایی با دامنه‌های بزرگ‌تر تولید کردند.

لووافسکی در این مورد توضیح می‌دهد:

این کار باعث به وجود آمدن حالت درهم‌تنیدگی کوانتومی در دو کانال خروجی پرتوشکن می‌شود. در یکی از این کانال‌ها یک ردیاب مخصوص تعبیه شده است. در حین انجام آزمایش، این ردیاب یک نتیجه‌ی مشخص را نشان می‌دهد؛ تولید یک گربه در کانال دیگری که انرژی آن بیش از دو برابر نمونه‌ی اولی است.

زمانی که محققان تیم مشغول اندازه‌گیری نتیجه‌ها شدند، دریافتند که می‌توانند یک جفت گربه‌ی شرودینگر منفی با دامنه‌ی ۱.۱۵ را به یک گربه‌ی مثبت دیگر با دامنه‌ی ۱.۸۵ تبدیل کنند و با تکرار این کار چند هزار گربه‌ی بزرگ‌تر تولید کنند. دیمِد سیکِف، یکی از اعضای این تیم و دانشجوی ارشد مرکز کوانتوم روسیه می‌گوید:

قابلیت تکرار این پروسه برای ما بسیار مهم است. گربه‌های جدید را می‌توان در پرتوشکن ترکیب کرد و گربه‌های بزرگ‌تر با انرژی‌های بیشتری تولید کرد و این روند را دائما ادامه داد. به این ترتیب می‌توان مرزهای مکانیک کوانتوم را قدم‌به‌قدم به پیش راند و سرانجام فهمید که آیا دنیای کوانتوم یک حد نهایی دارد یا نه.

این یک آزمایش بی‌پروایانه است، اما انجام چنین تحقیقاتی برای افزایش فهم ما از قوانین فیزیک کیهان بسیار حیاتی هستند.

ما می‌دانیم که قوانین حاکم بر حیطه‌ی کوانتوم که رفتار اتم‌ها در ابعاد بسیار کوچک را توصیف می‌کنند، باید به نحوی با دنیای فیزیک کلاسیک، یعنی قوانین مربوط به سیستم‌های بزرگ‌تر همچون ستاره‌ها، موشک‌ها و انسان‌ها در ارتباط باشند. اما تاکنون هیچ‌کس نتوانسته است این ارتباط را کشف کند.

گرانش بر دنیای ما تأثیر زیادی می‌گذارد، اما به نظر می‌رسد که تأثیری بر سیستم‌های کوانتومی ندارد. همچنین فیزیک کلاسیک نیز نمی‌تواند پدیده‌ی متحیرکننده‌ی درهم‌تنیدگی کوانتومی را توضیح دهد.

اگر ما بتوانیم به‌طور دقیق مرزی را که بعد از آن سیستم‌های کوانتومی توسط قوانین فیزیک کلاسیک توصیف می‌شوند، دریابیم، در آن صورت خواهیم توانست ماهیت جدایی دنیای کلاسیک و دنیای کوانتوم را درک کنیم. شاید انجام آزمایش روی گربه‌های شرودینگر به ما در رسیدن به این هدف یاری کند.