جهان كوانتومي - بخش هشتم: خانه درگشوده

خانه درگشوده

فهميدن نظريه كوانتومي دشوار است ، اما راه هاي براي درك رازهاي دروني آن وجود دارد.

اگر نظريه كوانتومي چنان كه از آن انتظار ميرود كارايي داشته باشد ، آنگاه ديگر نميتوان گربه شرودينگر را در حالت عجيب دوگانه نيمه مرده – نيمه زنده ديد . اين انتظار دلگرم كننده است زيرا به تجربه ميدانيم كه گربه ها مجموعه اي موجودات كوانتومي غيرزميني نيستند . پس با اين حساب ، حالت نامعين گربه شرودينگر واقعا به چه معناست؟منظور اصلي نيلز بور در پرداختن به نظريه كوانتومي ، اين بود كه همه توجه خود را به آنچه كه ميتوان ديد معطوف كنيم . از نظر او ماهيت به ظاهر ناممكن يا متناقض حالتهاي مياني كه بنا به تعريف ، غيرقابل مشاهده اند ، نگران كننده نيست . اين ديدگاه كاملا منطقي به نظر ميرسد ، جز اينكه بدون اين حالتهاي مياني عجيب ، نميتوان كاري انجام داد . درست است كه اين حالتها غيرقابل مشاهده اند ، اما بالاخره بايد به شكلي وجود داشته باشند.

در سال 1996 ، محققان موسسه ملي استاندارد و فناوري در امريكا ، موفق يه ساخت چيزي شدند كه آنره به عنوان حالت اتمي "گربه شرودينگر" توصيف كردند . آنچه آنها ساختند يك اتم بود كه براي مدتي همزمان در دو مكان مختلف قرار داشت . اين اتمي بود كه ميتوان آنرا "نيمي اينجا – نيمي آنجا" ناميد . اما اگر بنابر قوانين موجود ، چنين حالتي را نميتوان مشاهده كرد ، پس آن پژوهشگران چگونه وجود آنرا اثبات كردند؟
"كريس مونرو" و همكارانش ، با دريافت يك الكترون از اتم بريليوم آنرا بصورت يك تك يون بريليوم درآوردند و سپس با باريكه هاي ليزري ، اتم يك بار يونيده بريليوم را به دام انداختند . بريليوم معمولا چهار الكترون دارد كه دوتاي آنها در بيروني ترين "پوسته" به دور هسته ميگردند . اگر يكي از اين دو الكترون برداشته شود ، در دورترين پوسته نسبت به هسته تنها يك الكترون باقي خواهد ماند . الكترون ها و هسته هاي اتمي خاصيتي دارند به نام "اسپين" (Spin) كه در دهه 1920 كشف شد . حالت الكترون ؛ برحسب اينكه اسپين آن همسو و يا ناهمسو با اسپين هسته باشد ، "بالا" يا "پايين" خوانده ميشود . از آنجا كه احتمال وجود هر دو حالت با هم مساوي است ، بيروني ترين در يك حالت كوانتومي "نيمي بالا – نيمي پايين" قرار دارد.
اما انرژي دو حالت اتمي فوق ، مقدار كمي با يكديگر تفاوت دارند . اين پژوهشگران با استفاده از ليزرهاي جداگانه كه به دقت با اين انرژيها تنظيم شده بودند ، دو حالت بالا و پايين را به سمتهاي مخالف هم فرستادند ؛ بخش "بالا" به سمتي و بخش "پايين" به سمت مخالف آن . اين آرايش مبتكرانه ، حالت "نيمي بالا – نيمي پايين" اتم را به حالت "نيمي اينجا – نيمي آنجا" تبديل كرد كه در حالت دوم ، دو نيمه حالت كوانتومي اتم از لحاظ فيزيكي از هم جدا شدند و در نهايت به فاصله 80 نانومتر از يكديگر قرار گرفتند . البته اين فاصله چندان زياد نيست ، اما با اين حال به مقدار قابل توجهي از خود اتم بزرگتر است.
مونرو و همكارانش نميتوانستند اتم را همزمان در دو مكان مختلف مشاهده كنند ، بنابراين ممكن است سوال شود كه آنها چگونه توانستند به اين كار بزرگ خود پي ببرند . اين گروه با جدا كردن دو حالت از هم ، نخست آنها را دور و سپس دوباره دوباره به هم نزديك كردند ؛ اما نزديك كردن آنها را بگونه اي انجام دادند كه تركيب دو حالت نيمه كوانتومي اتم اندكي با تركيب آنها در اتم دست نخورده متفاوت باشد . چنين تفاوت كوچكي بود كه بعنوان معياري از سفر جداگانه نيمه هاي "بالا" و "پايين" ميتوانست مشاهده شود.
اگر بخواهيم خيلي موشكافانه به اين قضيه نگاه كنيم ، نميتوانيم بگوييم كه گروه فوق واقعا "حالت گربه شرودينگر" اتم بريليوم را پيدا ميكند . آنچه كه آنها انجام دادند پي بردن به وجود اين حالت از طريق مشاهداتي بود كه بنابر پيش بيني نظريه كوانتومي ايجاد ميشدند . شايد خيال كنيد كه آنها كلك زده اند ، اما به ياد داشته باشيد كه شما ميخواهيد وجود چيزي را نشان دهيد كه بنا به تعريف ، هرگز نميتوان واقعا آنرا ديد.
نمايشهاي جالب ديگر پديده هاي بنيادي كوانتومي ، از اعجازهاي نوظهور در فناوري سرچشمه گرفته است . اين اعجازها در واقع قابليت دستكاري اتمهاي چندگانه و يا گروهي از اتمها و به دام انداختن آنها بوسيله ليزر و يا مغناطيس است . در سال 1995 گروه ديگري از فيزيكدانها چيزي را كه "چگاليده بوز – انيشتن" ناميده ميشود توليد كردند . آنها مجموعه اي از چند هزارم اتم روبيديم را تا نزديكي صفر مطلق (در واقع دويست ميلياردم درحه بالاي صفر مطلق) سرد كردند . در واقع تمامي اتمها در "گام سكون" (يك حالت كوانتومي كه همه آنها را در بر داشت) قرار گرفتند.
اساس اين كار ساده است . در حالت عادي ، وقتيكه اتمها به اطراف ميجهند ، با برخورد به يكديگر انرژي مبادله ميكنند و در حالتهاي كوانتومي متفاوت و متغيري قرار ميگيرند . اما از ميان تمام حالتهاي كوانتومي محتمل ، يك حالت وجود دارد كه بطور مطلق كمترين مقدار انرژي را دارد و اگر بتوان مقدار كافي انرژي از يك گروه اتم بيرون كشيد ، همه آنها در اين "حالت بنيادي" قرار ميگيرند . انيشتن و يك فيزيكدان هندي به نام "ساتيندرا نات بوز" ، وجود اين حالت را سالها پيش و در دهه 1920 پيش بيني كرده بودند.
بنا بر گزاره بالا ميتوان به اين نتيجه رسيد كه تنها ذرات "بوزون" (Boson) – كه مقدار اسپين شان عدد صحيح است – ميتوانند در چاليده بوز – انيشتن قرار گيرند . ذراتي كه مقدار اسپين آنها كسري است (مثل يك دوم ، سه دوم ، پنج دوم و ...) "فرميون" (Fermium) ناميده ميشوند و از اصلي به نام "اصل طرد پاؤلي" (اين اصل به افتخار ولفگانگ پاؤلي ، فيزيكدان اتريشي ، به اين نام خوانده ميشود . او با كشف اين اصل در سال 1925 ميلادي ، جايزه نوبل فيزيك 1945 را از آن خود كرد) تبعيت ميكنند . اين اصل ميگويد كه هيچ دو فرميوني نميتوانند همزمان يك حالت كوانتومي را اشغال كنند . مجموعه اي از فرميون ها ، همواره بايد در حالتهاي كوانتومي متفاوتي باشند ؛ كه اين حالتها را با كمترين انرژي آغاز ميكنند و به همين ترتيب پيش ميروند.
شايد برايتان جالب باشد كه بدانيد همين موضوع ، دليل وجود "كوتوله هاي سفيد" است . كوتوله سفيد ، پس مانده رو به خاموشي ستاره اي مثل خورشيد ماست كه سوخت هسته اي اش را به پايان رسانده است . چنين چيزي اندازه كوچكي دارد (خيلي بزرگتر از زمين نيست) ، اما بينهايت چگال است ؛ چون گرانش ، اتمهاي آنرا آنقدر فشرده كرده است كه تمام الكترونهاي اين اتمها آزادانه دركل هسته ستاره حركت ميكنند . به دليل اينكه الكترونها فرميون هستند ، اصل طزد پاؤلي از فشرده شدن بيشتر ستاره در اثر گرانش جلوگيري ميكند . كوتوله سفيد تنها تا جايي به كوچك شدن ادامه ميدهد كه الكترونها ، حالتهاي كوانتومي در دسترس را با بيشترين فشردگي و تراكم ممكن پر كنند . تنها اگر ستاره آنقدر پر جرم و گرانش آن به اندازه كافي قوي باشد كه الكترونها و پروتونها با هم تركيب شوند و نوترونها را تشكيل دهند ، ستاره ميتواند كوچكتر و تبديل به ستاره نوتروني شود . حتي يك ستاره نوتروني هم محدوديت هاي خاص خود را دارد زيرا نوترونها نيز فرميون هستند ؛ و اندازه يك ستاره نوتروني – همانند كوتوله سفيد – از همكاري بين نظريه كوانتومي و گرانش تعيين ميشود.
اما اتمهاي روبيديم بوزون هستند و آزمايش سال 1995 ، مجموعه اي از اين اتمها را وادار كرد تا رفتار فردي خود را در جمع كنار بگذارند و بصورت يك هستي واحد جلوه گر شوند . همه اين آزمايشها – از چگاليده بوز – انيشتن و يونِ گربه ي شرودينگر بريليوم گرفته تا ذرات درهم تنيده EPR و آزمايش دو شكاف يانگ – به اشكال مختلف اين موضوع را نشان ميدهند كه  چگونه تنها يك حالت كوانتومي ميتواند فرمانرواي مطلق ناحيه گسترده اي از فضا باشد . همه آنچه كه نام برده شد مثالهايي بودند از سيماي ناكلاسيكي مكانيك كوانتومي . شايد ناجايگزيدگي ، هرگز آنگونه كه يك فيزيكدان كلاسيكي ِ دوآتشه دوست دارد بطور مستقيم ديده نشود ، اما پيامدهاي آن گريزناپذير است . آزمايشهاي انجام شده در چند سال گذشته ، در پس همه ترديدهاي موجود نشان داده است كه مكانيك كوانتومي در عين متفاوت بودن ، بسيار عجيب است.