انتشار این مقاله


آزمایش کوانتوم در فضا: واقعیت چیزی است که ما می‌سازیم!

بر اساس مکانیک کوانتوم، واقعیت چیزی است که ما انتخاب می‌کنیم.

آزمایش فضایی نامتعارفی که جدیداً انجام یافته تأیید می‌کند که بر اساس مکانیک کوانتوم، واقعیت چیزی است که ما انتخاب می‌کنیم. فیزیکدان‌ها از مدت‌ها پیش می‌دانستند که کوانتوم نور یا همان فوتون، بسته به اینکه چگونه اندازه‌گیری شود، مثل یک ذره یا یک موج رفتار خواهد کرد. اکنون با بازتاب نور از ماهواره‌ها، تیمی از محققان تأیید می‌کنند که یک مشاهده‌گر می‌تواند این تصمیم را حتی پس از اینکه راه فوتون در آزمایش مشخص شد نیز بگیرد. ظاهراً این اتفاق با گذر از دوراهی بین ذره و موج نیز می‌تواند رخ دهد. چنین آزمایشاتی با انتخاب تأخیری شاید روزی بتواند مرز فازی بین نظریه‌ی کوانتوم و نسبیت را مورد کاوش قرار دهد.

آزمایش کوانتوم
برای تست نظریه‌ی کوانتوم، فیزیکدان‌ها از رصدخانه‌ی Matera Laser Ranging در جنوب ایتالیا استفاده کردند که معمولاً ماهواره‌ها را برای پایش تغییرات جزئی در شکل زمین ردیابی می‌کند.

بقیه‌ی دانشمندان همین اثرِ بر خلاف عقل سلیم! را در آزمایشگاه نشان داده‌اند. اما کار جدید نشان می‌دهد که ماهیت یک فوتون حتی پس از کیلومترها طی مسیر، ناشناخته باقی می‌ماند. این تست جالب نشان از قابلیت اعمال فیزیک کوانتوم در فضا دارد.

یک فوتون در آنِ واحد یا باید ذره‌ای مثل گلوله باشد، یا موجی در حال نوسان؛ هر دو با هم نمی‌شود. این حالت هم، بستگی دارد به راهی که آزمایشگر برای اندازه‌ کردن آن انتخاب می‌کند. در اواخر دهه‌ی ۱۹۷۰، نظریه‌پرداز معروف، جان آرچیبالد ویلر، به این باور رسید که آزمایشگرها می‌توانند حتی پس از عبور فوتون نیز درباره‌ی موج یا ذره بودن آن تصمیم بگیرند. به عبارت دیگر رفتار فوتون از پیش تعیین شده نیست.

ویلر فرستادن فوتون‌ها را در یک زمان از طریق تداخل‌سنجی به نام ماخ-زندر تصور کرد که روی ماهیت موجی نور ورودی متمرکز می‌شود. با استفاده از دستگاهی آینه مانند (تقسیم‌کننده‌ی پرتو)، تداخل‌سنج موج کوانتومی فوتون ورودی را به دو نیم تقسیم کرده و دو موج را به مسیرهای مختلفی می‌فرستد. تقسیم‌کننده‌ی پرتوی دوم دوباره امواج را یکی می‌کند تا با تداخل با یکدیگر فوتون را در برابر یکی از دو شناساگر شانت کند. تحریک شدن هر شناساگر به تفاوت در طول مسیر دو فوتون بستگی دارد. اگر تقسیم‌کننده‌ی پرتوی دوم برداشته شود، تقسیم‌کننده‌ی اول، فوتون را مثل یک ذره، به یکی از دو مسیر خواهد فرستاد.

یک فوتون معمولاً در تداخل‌سنج ماخ-زندر هر دو مسیر را در پیش می‌گیرد و تداخل شبه‌موجی می‌تواند آن را به سمت هر کدام از دو دتکتور شانت کند. اگر تقسیم‌کننده‌ی پرتوی دوم را برداریم، فوتون مانند یک ذره باید با احتمال برابر یکی از مسیرها را برگزیند.
یک فوتون معمولاً در تداخل‌سنج ماخ-زندر هر دو مسیر را در پیش می‌گیرد و تداخل شبه‌موجی می‌تواند آن را به سمت هر کدام از دو دتکتور شانت کند. اگر تقسیم‌کننده‌ی پرتوی دوم را برداریم، فوتون مانند یک ذره باید با احتمال برابر یکی از مسیرها را برگزیند.

وقتی مسیرها در مکان تقسیم‌کننده‌ی دوم به هم برسند، احتمال به صدا درآمدن شناساگرها، بدون توجه به طول مسیرها برابر خواهد بود.

ویلر به این نتیجه رسید که حتی می‌تواند تا برداشتن تقسیم‌کننده‌ی پرتوی دوم صبر کند؛ یعنی تا پس از این که فوتون اولین تقسیم‌کننده را پشت سر گذارد. این ادعا پیشنهاد می‌کند که تصمیمی از سوی ما در زمان حال، واقعه‌ای را در گذشته تعیین می‌کند: آیا فوتون مثل یک موج دو نیم شده یا مثل یک ذره یک مسیر را پیموده؟ عجیب است!

اکنون تیمی از محققان به رهبری Francesco Vedovato و Paolo Villoresi از دانشگاه پادوآ در ایتالیا نسخه‌ای از این آزمایش را اجرا کرده‌اند که با استفاده از یک تلسکوپ ۱.۵ متری انجام می‌شود. این تلسکوپ فوتون‌های نوری را با با فاصله‌ی هزاران کیلومتری از ماهواره‌ها بازتاب می‌دهد.

در چنین فاصله‌ای، فیزیکدان‌ها نمی‌توانند دو پرتو را موازی با هم ارسال کنند. امکان دارد بالاخره با هم همپوشانی پیدا کرده و ادغام شوند. به جای آن، آن‌ها یک فوتون را از طریق تداخل‌سنج ماخ-زندر روی زمین ارسال می‌کنند که مسیرهایی با طول‌های بسیار متفاوت دارد. تفاوت در طول مسیرها، یک پالس را به دو تا تقسیم می‌کند که با فاصله‌ی زمانی ۳.۵ نانوثانیه جدا می‌شود و سپس این تلسکوپ آن را به طرف آسمان می‌فرستد.

با برگشت پالس‌ها، آزمایشگرها آنان را دوباره به تداخل‌سنج‌ها هدایت می‌کنند. دستگاه هم می‌تواند شیفت زمانی را جبران کند تا دو پالس همپوشانی کرده و مثل امواج تداخل یابند. و هم می‌تواند آن را دوبل کند تا هیچ تداخلی پیش نیاید. البته فیزیکدانان انتخاب می‌کنند که کدامیک اتفاق بیافتد. وقتی پالس‌ها برای اولین بار تداخل‌سنج را ترک می‌کنند، پلاریزاسیون‌های متفاوتی دارند. به منظور جبران شیفت زمانی باید اول از یک دستگاه الکترونیکی بسیار سریع استفاده کرد تا پلاریزاسیون‌ یا قطبش آن‌ها را به طور دلخواه تغییر دهد. همچنین برای دوبل کردن، تنها کافیست کاری با پلاریزاسیون آن‌ها نداشته باشیم.

وقتی آزمایشگرها پالس‌ها را با هم همپوشانی می‌دهند، فوتون با احتمالی که وابسته به سرعت دور شدن ماهواره از مشاهد‌ه‌گر است، یکی از شناساگرها را تحریک می‌نماید. همین حالت برای تداخل امواج هم وجود دارد. وقتی پالس‌ها نتوانند با هم تداخل کنند، فوتون مانند یک ذره با احتمال ۵۰-۵۰ بدون توجه به سرعت ماهواره به کارش خاتمه می‌دهد. اما ماجرا این جاست که اینبار فیزیکدان‌ها نوع اندازه‌گیری را بعد از بازتاب نور از ماهواره انتخاب کردند؛ یعنی در نیمه‌ی راه ۱۰ میلی‌ثانیه‌ایش. گزارش این مشاهده بیست و پنجم اکتبر در Science Advances منتشر شد. بار دیگر، به نظر می‌آید تصمیم با تأخیر ما در زمان به عقب برگشته و نشان می‌دهد که چگونه فوتون پس از ترک اولین تقسیم‌کننده‌ی پرتو رفتار می‌کند.

آزمایشات انتخاب تأخیری می‌تواند به کاوش مرز بین نسبیت (که نیازمند تقدّم علت به معلول است) و نظریه‌ی کوانتوم کمک کند. با این حال، به کلام دقیق‌تر، این اثر خدشه‌ای به علیّت وارد نمی‌سازد. اما پیشنهاد می‌کند که اندازه‌گیری ما در زمان حال، نمی‌تواند آنطور که باید و شاید به استنتاج گذشته کمک کند. زمینه‌ی تحقیق بین مکانیک کوانتوم و نسبیت مستحق توجه بیشتر است.

علی تقی‌زاده


نمایش دیدگاه ها (0)
دیدگاهتان را بنویسید

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