کوانتوم؛ آزمایشگاهی در سرزمین عجایب

به گزارش جام جم آنلاین، اگر این‌طور است بدانید که شما تنها نیستید. واقعیت این است که بین ریاضیات و تصاویر ذهنی ما از واقعیت فاصله‌ای وجود دارد که در فیزیک کلاسیک اصلا حس نمی‌شود، زیرا به معانی و مفاهیم ملموس و رایج در زندگی نزدیک است. مثلا رابطه ریاضی که غلتیدن یک جسم روی سطح شیبدار را توصیف می‌کند بسیار قابل‌فهم‌تر از روابط ریاضی است که دنیای درون اتم‌ها را توصیف می‌کند. به همین‌دلیل ویژگی مکانیک کوانتومی نیاز به تفسیر‌های مختلف دارد و حتی فلسفه جداگانه‌ای برایش شکل گرفته است. در حالی که افتادن یک جسم از بلندی که فیزیک کلاسیک به آن می‌پردازد به تحلیل فلسفی نیاز ندارد. ۱۴آوریل برابر با ۲۵فروردین۱۴۰۱ به نام «روز جهانی کوانتوم» نامگذاری شده و این روز ابتکاری است از سوی دانشمندان فیزیک کوانتوم در ۶۵کشور جهان با این هدف که دانش کوانتومی با معنای واقعی‌اش بین مردم شناخته شود و نه مفاهیم شبه‌علمی و غیرواقعی. برگزاری همایش دانشگاهی و دورهمی‌های عمومی در این روز می‌تواند کمک کند تا رفتار‌های طبیعت را در بنیادی‌ترین سطح بشناسیم، با فناوری‌های مدرنی که در سال‌های آینده زندگی‌مان را تحت‌تاثیر قرار می‌دهند آشنا شویم و از همه مهم‌تر این که درک کنیم این فناوری‌ها چه تاثیراتی بر زندگی‌مان خواهند داشت و پیش از آن که به ما برسند چطور می‌توانیم اطلاعات و شناخت خود را درباره آن‌ها ارتقا دهیم؟ در این برنامه‌جهانی معلم‌ها، کارآفرین‌ها، دانشمندان و سازمان‌هایی که با این علم در ارتباطند به همکاری جهانی در این برنامه دعوت می‌شوند.

کوانتوم، موفق‌ترین نظریه‌ای است که امروز در دست داریم تا با کمک آن طبیعت را در سطح ذرات بنیادی و نیرو‌های بنیادی بین آن‌ها توصیف کنیم و دریابیم چطور این ذرات و نیرو‌ها ساختار کیهان ما را تشکیل داده‌اند. کلمه کوانتوم به معنای «کمترین مقدار یک کمیت» است و در فیزیک به بسته‌های انرژی گفته می‌شود که گسسته هستند یعنی مقادیر اعشاری ندارند. یکی از جذابیت‌های این علم، آزمایش‌های ذهنی آن است؛ آزمایش‌هایی که با تصویر رایج ذهنی ما تفاوت دارند و قرار نیست شخصی برای انجامش درون یک آزمایشگاه با ابزار‌ها و تجهیزات خاص قرار بگیرد و کار پیچیده‌ای را انجام دهد. این آزمایش‌ها درون ذهن دانشمندان و بدون نیاز به اجرای آزمون مستقیم انجام می‌شود تا نتایج فرضیه یا نظریه‌ای را مورد بررسی قرار دهد.

شاید بپرسید چنین آزمایشی که قرار است همه‌چیز را ذهنی بررسی کند چه فایده‌ای دارد؟ واقعیت این است که آزمایش‌های فکری یا ذهنی هدف متفاوتی با کار‌هایی که درون آزمایشگاه‌ها اتفاق می‌افتد، دارد آن هم این است که بدون نیاز به آزمایش مستقیم، نتایج بالقوه یک نظریه کشف شود یا احیانا تناقض درونی آن نشان داده شود. آزمایش‌های فکری اساسا ابزار‌های تخیل هستند. آن‌ها برای اهداف مختلفی مانند سرگرمی، آموزش، تحلیل مفهومی، کاوش، فرضیه‌سازی، انتخاب نظریه، اجرای نظریه و... استفاده می‌شوند. برخی از کاربرد‌ها بحث‌برانگیزتر از بقیه هستند. از نگاه کارل پوپر، فیلسوف بزرگ، آزمایش‌های ذهنی از سه روش می‌توانند مسیر شناخت جهان را برایمان هموار کنند. او آزمایش‌های ذهنی اکتشافی، انتقادی و دفاعی را در کتاب خود با نام «منطق اکتشاف علمی» معرفی می‌کند و می‌گوید: «آزمایش‌های ذهنی اکتشافی درپی ساختن و به تصویر کشیدن یک نظریه هستند در حالی که آزمایش‌های ذهنی انتقادی شبیه یک برهان‌خلف سعی دارند تا نظریه تثبیت‌شده را تغییر دهند و ایراد‌های آن را مشخص کنند و در‌نهایت آزمایش‌های ذهنی دفاعی از تئوری‌های تثبیت‌شده حمایت می‌کنند.» این آزمایش‌های ذهنی گاهی تجربی‌اند و در عالم مادی جای می‌گیرند و گاهی هم کاملا انتزاعی هستند و در دنیای پیرامون ما قابلیت اجرا ندارند؛ مثلا آزمایش‌هایی که فرض می‌کنند جسمی با سرعت نور حرکت کند با دانش فعلی بشر می‌دانیم که هیچ‌چیزی نمی‌تواند به این سرعت برسد و ناچاریم آنچه را که مربوط به سرعت نور است به شکل ذهنی مورد آزمایش و بررسی قرار دهیم.

میکروسکوپ هایزنبرگ یک آزمایش فکری است که ورنر هایزنبرگ پیشنهاد کرده و اساس برخی از ایده‌های رایج در مورد مکانیک کوانتومی است. او طبق محاسبات ریاضی و آزمایش‌هایی که انجام می‌داد فهمید که اندازه‌گیری همزمان مکان و سرعت حرکت ذره‌هایی مثل الکترون ممکن نیست. یعنی اگر سرعت را اندازه بگیریم دقت اندازه‌گیری مکان از دست می‌رود و اگر موقعیت مکانی را موردسنجش قرار دهیم، دقت اندازه‌گیری سرعت از دست می‌رود. به ویژه استدلالی برای اصل عدم قطعیت براساس اصول اپتیک کلاسیک ارائه می‌کند، اما داستان میکروسکوپ چیست؟

میکروسکوپ‌ها به ما این امکان را می‌دهند که ذرات بسیار ریز را ببینیم، اما مشکلی که دارند این است که اگر از نور مرئی برای مشاهده ذره استفاده کنیم، طول‌موج این نور بسیار بیشتر از ابعاد ذره است و تصویر ما مبهم و ناواضح خواهد بود. از طرف دیگر اگر از نوری با طول موج قابل مقایسه با ابعاد ذره (که بسیار کوچک است) استفاده کنیم باعث جابه‌جایی ذره می‌شود، زیرا که طول موج‌های کوتاه بسیار پرانرژی هستند مثل پرتو‌های گاما و دقت در اندازه‌گیری مکان ذره را از بین می‌برند.

در اولین سال‌های تفسیر مکانیک کوانتومی، نیلز بور، فیزیکدان معروف و هایزنبرگ فکر می‌کردند که عدم قطعیت نتیجه ناتوانی ما در اندازه‌گیری دقیق است، نه چیزی ذاتی در طبیعت، اما چند سال بعد با انواع آزمایش‌های ذهنی و عملی بالاخره مشخص شد که این مسأله واقعا به محدودیتی ذاتی در طبیعت ارتباط دارد.

برخلاف اصطلاحات پر طمطراق و پیچیده‌ای که در فیزیک کوانتومی وجود دارد، این دانش در زندگی روزمره ما به‌شدت نفوذ کرده و ممکن است خودمان به کاربرد‌های گسترده کوانتوم در گوشه‌گوشه زندگی آگاه نباشیم، ولی هر روز بی‌آن‌که بدانیم در حال استفاده از خدمات اثرگذار کوانتوم که شاخه مهمی از فیزیک است، هستیم. ابزار‌های مسیریابی که این روز‌ها در هر گوشی هوشمندی وجود دارد و ما روزانه برای یافتن نشانی‌ها از آن استفاده می‌کنیم بر پایه محاسبات کوانتومی شکل گرفته است. جی‌پی‌اس یا همان «سامانه موقعیت‌یاب جهانی» که به کمک ماهواره‌ها و ساعت‌های اتمی کار می‌کند با محاسبات کوانتومی تنظیم شده است.

رایانه‌های کوانتومی که هر سال نسخه‌های جدیدتر و کامل‌تری از آن‌ها معرفی می‌شود می‌توانند محاسبات پیچیده و مفصل را با سرعت و دقت بهتری انجام دهند. این ابزار‌های خارق‌العاده می‌توانند میلیون‌ها دستور را در کسری از ثانیه نسبت به رایانه‌های معمولی اجرا کنند. آن‌ها برای تحلیل‌های آماری، حل مسائل فیزیک نظری، حل مسائل بهینه‌سازی با متغیر‌های بسیار زیاد به کار می‌روند. شاید باورش سخت باشد، اما کوانتوم به علومی مثل زیست و زیر‌شاخه‌های آن هم کمک می‌کند تا دقت در اندازه‌گیری‌های مختلف این حوزه را
بالا ببرند.

برای مثال، تصویربرداری بسیار دقیق بافت‌های زیستی، ساخت سلول خورشیدی با بازده بالا و تهیه اسکنر‌های کوانتومی با بهره‌گیری از مکانیک کوانتومی انجام می‌شود. خیلی از فرآیند‌های بیولوژیکی مانند ردیابی مغناطیسی مهاجرت پرندگان، عملکرد آنزیم‌ها، چگونگی عملکرد حس بویایی با کوانتوم قابل‌توضیح و تفسیر می‌شود و اطلاعات دقیقی از آن به‌دست می‌آید که دستمایه پیشرفت فناوری‌های آینده این حوزه‌ها خواهد شد. رد پای کوانتوم را می‌شود در پزشکی هم پیدا کرد. با استفاده از حسگر‌های کوانتومی می‌توان نقص در پروتئین‌های مولکولی پیچیده در بدن را که به اختلالات متابولیکی منجر می‌شوند، تشخیص داد. یکی از دستاورد‌های مهم علم کوانتوم، توانایی مدل‌سازی مغز انسان روی رایانه است که احتمالا در آینده خبر‌های بیشتر و جذاب‌تری درباره‌اش خواهیم شنید.

منابع:
stanford.edu و worldquantumday.org
و www.informationphilosopher.com


پارادوکس ای‌پی‌آر

پارادوکس اینشتین‌-پودولسکی‌-روزن که به‌اختصار به پارادوکس ای‌پی‌آر (EPR) معروف شده از پیچیده‌ترین آزمایش‌های فکری است که سال ۱۳۱۴/۱۹۳۵ برای به چالش‌کشیدن محتوای فلسفی مکانیک کوانتومی مطرح شد. آلبرت اینشتین، بوریس پودولسکی و ناتان روزن دانشمندانی بودند که این آزمایش فکری را طرح کرده و می‌خواستند یادآوری کنند که مکانیک کوانتومی نظریه کاملی نیست و برای توصیف دقیق طبیعت به متغیر‌های زیاد دیگری نیاز دارد که هنوز به شناسایی آن‌ها پرداخته نشده است. اینشتین می‌گفت فهمیدن اطلاعات دو سیستم کوانتومی به‌صورت آنی، خلاف محدودیت سرعت نور و جابجایی اطلاعات است و برای همین به همراه دو دانشمند دیگر این آزمایش ذهنی را طراحی کرد تا تناقض‌آمیزبودن مکانیک کوانتوم را نشان دهد. او معتقد بود یکی از پیامد‌های مکانیک کوانتومی این است که با دانستن وضعیت یک ذره، می‌شود وضعیت ذره دیگر را فهمید و اصلا هم مهم نیست که فاصله بین این دو ذره چقدر است. فرض کنید انفجاری رخ دهد و دو ذره کوچک در حد و اندازه‌های الکترون‌ها از دل این انفجار با سرعتی نزدیک به سرعت نور به دو سمت مختلف پرتاب شوند. (قواعد فیزیک برای هر جفت الکترون می‌گوید یکی چرخش به سمت بالا دارد و یکی به سمت پایین تا در‌نهایت چرخش کلی هر دو به یک اندازه باشد) حالا تصور کنید سال‌های زیادی از این انفجار گذشته و این الکترون‌ها در حد چند سال‌نوری (مسافتی که نور در یک‌سال طی می‌کند) از هم دور شده‌اند. اگر ما بتوانیم یکی از این الکترون‌ها را با ابزار دقیق بررسی کنیم و ببینیم که چرخشش به سمت بالاست پس یعنی می‌شود به‌طور قطعی گفت الکترون دیگر به سمت پایین می‌چرخد. این یعنی فورا با دانستن اطلاعاتی درباره یک الکترون درباره آن یکی که در فاصله دوری از ما قرار دارد اطلاعات به‌دست آورده‌ایم. به عبارت بهتر یعنی چرخش این دو الکترون به هم وابسته است و به‌محض مشاهده یکی از آن‌ها اطلاعاتی میان‌شان ردوبدل‌شده و جهت چرخش آن یکی به‌وسیله مشاهده دیگری تعیین می‌شود. اینشتین این ماجرا را «تاثیر شبح‌وار فاصله دور» می‌نامد. بنا به این آزمایش، مکانیک کوانتومی نظریه کاملی نیست؛ یعنی بخشی از واقعیت فیزیکی بخش دیگر را نمی‌توان با مکانیک کوانتومی توصیف کرد و متغیر‌های دیگری برای توصیف آن نیاز است. با آزمایش‌های دانشمندان در سال‌های بعد مشخص شد مکانیک کوانتومی با تمام غیر قابل پیش‌بینی بودنش باز هم پیروز است و نقدی که اینشتین، پودولسکی و روزن در قالب این آزمایش فکری مطرح کردند به روش‌های مختلفی پاسخ داده شد.

وضعیت گربه آقای شرودینگر

گربه شرودینگر یکی از معروف‌ترین آزمایش‌های فکری فیزیک کوانتوم است که اروین شرودینگر فیزیکدان اتریشی سال۱۳۱۴شمسی/۱۹۳۵میلادی ابداع کرد. در این آزمایش، شرودینگر شرایطی را توصیف می‌کند که گربه‌ای درون جعبه‌ای حاوی یک شیشه گاز سمی، یک چکش، یک حسگر رادیواکتیو و یک منبع رادیواکتیو قرار داده شده است؛ اگر ماده رادیواکتیو تابش کند توسط دستگاه حسگر شناسایی می‌شود و در این صورت چکش از جایگاه خود رهاشده و شیشه سم را می‌شکند به این ترتیب گاز سمی در جعبه آزاد می‌شود و می‌تواند گربه را بکشد، اما چه چیزی این آزمایش ذهنی را عجیب می‌کند این که احتمال فروپاشی ماده رادیواکتیو و آزادشدن انرژی و تابش از آن ۵۰-۵۰ درنظر گرفته می‌شود. پس از گذشت یک‌ساعت این احتمال وجود دارد که ماده، تابش‌کرده و گربه مرده باشد یا این که ماده تابش نداشته و گربه همچنان زنده باشد. برای این که بفهمیم چه بلایی بر سر گربه آمده باید در جعبه را باز کنیم و درون آن را ببینیم، اما تا پیش از این کار، وضعیت گربه چگونه است؟ پاسخ ساده این است؛ نمی‌دانیم! اما شرودینگر می‌گوید تا پیش از باز‌کردن در جعبه، شرایط گربه توسط تابع ریاضیاتی قابل توصیف است که مجموع یک گربه زنده و یک گربه مرده است. او معتقد است در واقع انگار گربه نه مرده و نه زنده است. این آزمایش ابتدا بسیار گیج و ناملموس به نظر می‌رسد، ولی اگر مدتی به آن فکر کنید و با مبانی کوانتوم آشنا شوید خواهید دید که مفهوم بسیار جالبی دارد. آزمایش شرودینگر، شرایطی را توصیف می‌کند که وضعیتی با دو احتمال به یک اندازه قوی وجود دارد تا زمانی که به‌طور قطعی مشاهده و بررسی انجام نشود هر دو احتمال می‌توانند درست باشند. این آزمایش به مفهومی به نام «برهم‌نهی» اشاره دارد که در آن یک سامانه کوانتومی مثل اتم به عنوان ترکیبی از چند حالت با نتایج مختلف، ممکن است وجود داشته باشد.

 

منبع: روزنامه جام جم