ساخت یک گهواره نیوتنی واقعی برای مطالعات فیزیک کوانتومی

برای درک پیچیده‌ترین علوم، باید ساده شروع کنید. مثلا استفاده از یک اسباب‌بازی روی میزی به‌منظور درک شگفتی‌های فیزیک کوانتومی، می‌تواند آغازگر این بینش باشد.

اسباب‌بازی موردنظر ما یک گهواره‌ی نیوتنی (Newton’s cradle) است که توپ‌های آن به‌دقت در ردیفی قرار دارند و می‌توانند برای مدت‌زمان طولانی به یکدیگر برخورد کنند. این گهواره بهترین نمونه‌ای است که نشان می‌دهد اندازه‌ی حرکت (یا تکانه) و انرژی چگونه کار می‌کنند. دستگاه فوق در حال حاضر برای مطالعه دستگاه‌های کوانتومی نیز به کار گرفته می‌شود.

گروهی از فیزیکدانان، نسخه‌‌ی کوانتومی گهواره‌ی نیوتنی را برای مطالعه فرایند ترمالیزه کردن یا ترمالیزاسیون ساخته‌اند. ترمالیزاسیون درواقع حرکت بی‌نظم ذرات کوانتومی است که درنهایت به تعادل گرمایی منجر می‌شود.

همه‌ی ما با ترمالیزاسیون در فیزیک کلاسیک آشنا هستیم؛ به‌عنوان یک مثال می‌دانیم که افزودن شیر سرد به قهوه‌ی گرم، چگونه باعث رسیدن به دمای یکسان در کل مایع می‌شود.

اما دانشمندان هنوز باید دریابند که این فرایند در قلمروی کوانتومی، چگونه، چرا یا اینکه چه هنگامی رخ می‌دهد. این موضوع همان جایی است که اسباب‌بازی‌های کوانتومی جدید برای درک بیشتر ما وارد عمل می‌شوند.

هرچند می‌دانیم کوانتوم‌هایی که از رشته‌هایی آویزان باشند، در دنیای واقعی وجود ندارد، پژوهشگران از گروهی اتم‌ها که تا نزدیکی‌های دمای صفر مطلق سرد شده بودند، استفاده کردند. این اتم‌ها در آرایه‌هایی از لوله‌های لیزری پر شده بودند و با پرتوهای لیزر متراکم وارد واکنش می‌شدند.

درواقع روش گهواره‌ی ‌نیوتنی، پیش از این هم امتحان شده بود؛ اما این بار پژوهشگران از اتم‌های مغناطیسی قوی استفاده کردند تا بتوانند به‌طور دقیق دریابند که این اتم‌ها، اتم‌های همسایه را به چه شکلی در گهواره تحت تأثیر قرار می‌دهند.

آزمایش، دو مرحله‌ی متمایز و نمایی را برای تعادل حرارتی آشکار ساخت و همین امر به گروه امکان توسعه‌ی یک فرضیه‌ی جدید را می‌داد. فرضیه‌ای که براساس ماهیت اتفاقات رخ‌داده در سطح کوانتومی، استوار است. بنیامین لو سرپرست پژوهش از دانشگاه استنفورد در کالیفرنیا می‌گوید:

این بدان معناست که ما می‌توانیم یک نظریه‌ی ساده و بسیار عمومی از چگونگی ترمالیزه شدن سیستم‌هایی تا این حد پیچیده، داشته باشیم. چنین دستاوردی زیباست؛ زیرا به ما امکان می‌دهد تا آن را برای سیستم‌های دیگر هم بازبرداشت کنیم.

یافته‌های پژوهش در ادامه از طریق شبیه‌سازی کامپیوتری گسترده پشتیبانی شدند و آن شبیه‌سازی‌ها هم نتایج مشابهی را نشان می‌دادند. 

آزمایش برای نشان دادن بالا یا پایین شدن سطح مغناطیس، طراحی شده بود. مغناطیس بیشتر باعث ایجاد حرکت‌های بی‌نظمامه‌ی بیشتر و از سویی هم منجر به اثر تکانه‌ی گهواره‌ی نیوتنی کلاسیک کمتر می‌شود.

در حال حاضر این مباحث به فیزیک سطوح بالا مربوط است؛ اما اینکه بتوانیم درنهایت یک کامپیوتر، حسگر یا دستگاه کوانتومی توسعه دهیم، ‌به‌گونه‌ای که ما را به مرحله بالاتر و پیشرفته‌تری از فناوری سوق دهد، لازم و ضروری به‌نظر می‌رسد. لو می‌گوید:

اگر بخواهیم قادر به ساخت دستگاه‌های قوی و مفید باشیم، همانطور که درک عمیقی از دستگاه‌های کلاسیک داریم، باید بدانیم که دستگاه‌های کوانتومی چگونه براساس تعادل رفتار می‌کنند؛ درست همانند وقتی‌که توپی را از گهواره‌ی نیوتنی رها می‌کنیم.