عدم قطعیت هایزنبرگ و پیدا کردن راه گریز

عدم قطعیت هایزنبرگ و پیدا کردن راه گریز

دانشمندان توانسته اند تا راه گریزی برای عدم قطعیت هایزنبرگ پیدا کنند،چنین رفتار کوانتومی دمدمی مزاجی با بزرگ شدن اجسام کوچک به پایان نمی رسد فقط حواس ما و ابزارهای ما قادر به تشخیص آن نیستند. برای مطالعه کامل مقاله تا انتها با مجله آندرومدا مگ همراه باشید.

مکانیک کوانتوم از این ایده که واقعیت عینی یک توهم است، به این درک رسیده است که اجسام می توانند در یک زمان در دو حالت باشند (به عنوان مثال هر دو مرده و زنده) و این چنین فرآیندهایی را شامل می شود. اکنون با ضربه زدن به دو مجموعه از درام های کوچک دو تیم از فیزیکدانان مقیاسی را که ما می توانیم اثرات کوانتومی را در آن مشاهده کنیم در حوزه ماکروسکوپی  مقیاس ها را آورده اند.

دانشمندان در اصل عدم قطعیت هایزنبرگ راه گریزی پیدا کردند

این یافته ها یک اثر کوانتومی عجیب و غریب به نام “درهم تنیدگی” را در مقیاس بسیار بزرگتر از آنچه قبلا دیده شده بود ، نشان می دهد ، و همچنین روش استفاده از این اثر را توصیف می کند هنگامی که ذرات به یکدیگر متصل می شوند حتی اگر با فاصله زیاد از هم جدا شوند برای جلوگیری از عدم اطمینان کوانتومی  هایزنبرگ همین اصل بوجود می آید . به گفته محققان، این دانش می تواند برای کاوش گرانش کوانتوم و طراحی رایانه های کوانتومی با قدرت محاسبه بسیار فراتر از دستگاه های کلاسیک مورد استفاده قرار گیرد.

فیزیکدانان مدت هاست در تعجب اند که در چه مقیاسی پدیده های عجیب و غریب کوانتومی جای خود را به دنیای ماکروسکوپی آشنا و قابل پیش بینی ما می دهند ، بیشتر به این دلیل که هیچ قانون سخت و سریعی وجود ندارد که می گوید چنین پدیده هایی هرگز نباید وجود داشته باشد.

یا حداقل این موضوع از قبل وجود داشته است. آزمایش های جدید از دو تیم جداگانه از محققان ، جهش از مشاهده درهم تنیدگی کوانتومی بین اتمهای منفرد تا مشاهده آن بین غشاهای آلومینیوم که اندازه اش میکرون است – یا  ضربه زدن به “درام” ها – ساخته شده از هر یک تریلیون اتم است.

ایده در هم پیچیدگی به ساده ترین حالت ، این ایده را توصیف می کند که دو ذره می توانند یک ارتباط ذاتی داشته باشند و هر چقدر از هم فاصله داشته باشند پایدار بماند. ذرات به طور اثری جفت هم می شوند : چیزی در مورد یک ذره را اندازه گیری کنید ، مانند موقعیت آن میتواند به شما کمک کند تا  اطلاعات مربوط به موقعیت شریک درهم پیچیده آن را به دست آورید و بتوانید  یک ذره را تغییر دهید و اعمال شما یک تغییر مربوط به ذره را از راه دور منتقل می کند ، همه با سرعت بیشتر از سرعت نور در حال حرکت خواهند بود.

دانشمندان در اولین آزمایش ، که در انستیتوی استاندارد و فناوری ملی ایالات متحده (NIST) در بولدر ، کلرادو آزمایششان را انجام دادند ، درام های کوچکی را به طول هر کدام حدود 10 میکرومتر بر روی یک تراشه کریستال قرار دادند، قبل از اینکه آنها را بیش از حد  مقدار صفر خنک کنند. با سرد شدن درام ها ، احتمال تعامل آنها با چیزی خارج از سیستم به طرز چشمگیری کاهش یافت ،و این کار دانشمندان را قادر ساخت  تا درام ها را به حالت درهم پیچیده درآورند و همزمان با برخورد با پالس های  امواج مایکروویو به طور هم زمان ، به حالت ارتعاش در بیاییند.

جان توفل ، همکار فیزیکدان NIST ، در بیانیه ای با اشاره به این واقعیت که ذرات هرچه گرمترباشند جنبش زیادی دارند . “اما با نگاهی به آنها ، می توان فهمید که آنچه به نظر می رسد حرکت تصادفی یک درام را به تصویر می کشد ،و با زدن درام بسیار ارتباط دارد ، به روشی که فقط از طریق درهم تنیدگی کوانتومی امکان پذیر است.”

محققان میزان درگیری درام ها را با بررسی چگونگی همسان سازی دامنه ها و حداکثر فاصله آنها از موقعیت های استراحت اندازه گیری کردند در حالی که تقریباً از ارتفاع یک پروتون بالا و پایین می شوند. محققان مشاهده کردند که درام ها به روشی کاملاً همزمان هماهنگ می شوند  وقتی یک درام در دامنه زیادی قرار داشت  ، در دامنه دیگر دامنه کم بود و سرعت آنها دقیقاً برابر بود.

توفال با اشاره به تکه های گسسته یا “کوانتای” اجسام کوانتوم گفت: “اگر آنها هیچ همبستگی نداشته باشند و هر دو کاملاً در حالت سرد قرار داشته باشند، شما می توانید میانگین موقعیت درام  دیگر را در یک عدم قطعیت از نیمی از یک کوانتوم حرکت حدس بزنید.” مثل اینکه درام به لرزش در بیاید. “وقتی آنها درگیر شوند، ما می توانیم بهتر نیز  عمل کنیم ، با عدم اطمینان کمتری نیز میتوان ادامه کار را به انجام رساند. و  درهم تنیدگی تنها راه ممکن در این بخش  است.” به نظر می رسد این دو درام ارتعاشی در مقیاس بزرگ دو جسم جداگانه قرار دارند  ، اما با درهم آمیختگی کوانتومی شبح وار به هم متصل  شده اند.

محققان NIST می خواهند از سیستم درام خود برای ساختن گره ها یا نقاط انتهایی شبکه در شبکه های کوانتومی استفاده کنند ، علاوه بر این آن ها را برای مشکلاتی که به دقت بکامل نیاز دارند  ، مانند تشخیص جاذبه در کوچکترین مقیاس به حالت سازگار درآیند

تیم دوم محققان به سرپرستی میکا سیلانپو در دانشگاه آلتو در فنلاند تصمیم گرفتند تا از سیستم درام کوانتومی خود برای دور زدن یکی از سختگیرانه ترین قوانین فیزیک کوانتوم  اصل عدم قطعیت هایزنبرگ  استفاده کنند.

این اصل برای اولین بار توسط فیزیکدان آلمانی ورنر هایزنبرگ در سال 1927 ارائه شد، یک حد سخت برای دقت مطلقی که می توان هنگام اندازه گیری برخی از خصوصیات فیزیکی یک ذره بدست آورد، تعیین می کند. این ایده این واقعیت را در خود جای داده است كه جهان در كوچكترین و بنیادی ترین سطح خود، یك جانور مبهم و غیر قابل پیش بینی است و هرگز اجازه نمی دهد اطلاعات كامل درباره آن شناخته شود.

به عنوان مثال ، شما نمی توانید از موقعیت ذره و حرکت آن با دقت کامل مطلع شوید. آیا می خواهید بدانید که الکترون دقیقاً در کجا قرار دارد؟ برای ایجاد یقین می توانید آن را به طور مکرر اندازه بگیرید. اما هرچه بیشتر این کار را انجام دهید ، با آن تعامل بیشتری خواهید داشت و حرکت آن را تغییر می دهید. برعکس همین اتفاق می افتد. یقین داشتن  در دنیای کوانتوم یکجور معامله به حساب می آید و در قلمرویی که اشیا بیشتر به عنوان ابرهای احتمال وجود دارند ، اطمینان بیشتر در مورد یکی از خصوصیات آنها به معنای عدم اطمینان نسبت به دیگری است.

اما تیم دوم محققان راهی برای حل این مسئله پیدا کردند. محققان با زدن مداوم  درام  کوانتومی آنها با فوتونها یا ذرات سبک، مانند یک درام در دام ، توانستند درام های خود را در یک حالت درهم پیچیده تنظیم کنند. سپس ، به جای اندازه گیری موقعیت و حرکت تک تک درام ها، محققان با درام های درهم پیچیده طوری برخورد کردند که گویی یک درام منفرد و ترکیبی هستند و موقعیت درام خیالی را بدون تأثیر بر سرعت آن اندازه گیری کردند.

لورا مرسیه د لپینای  ، محقق فوق دکترا در دانشگاه آلتو در فنلاند، در بیانیه ای گفت: “عدم قطعیت کوانتومی حرکت  درام ها اگر دودرام  به عنوان یک موجود مکانیکی کوانتومی رفتار شود کنسل خواهد شد”.

این طیف وسیعی از امکانات را برای اندازه گیری در کوچکترین مقیاسها بدون از دست رفتن اطلاعات فراهم می کند ، و با توجه به روش مداوم اندازه گیری ، سنسورهای کوانتومی جدید آنها برای نظارت بر سیستم های کوچک در حال تکامل دائماً پیشرفت می کنند. محققان امیدوارند که درام های درهم گیرنده آنها به اندازه کافی حساس باشد تا بتواند موارد جزئی را که در اثر ایجاد امواج گرانشی و ماده تاریک در فضا ایجاد می شود ، اندازه گیری کند و همچنین برای اتصال شبکه های کوانتومی که از اشیا  در هم تنیده مانند درام های خود به عنوان رله استفاده می کنند ، استفاده شود.

هر دو آزمایش همچنین ما را با واقعیت نزدیک بودن ما به دنیای کوانتوم مواجه می کند ، که علیرغم آزمایش های فکری ظاهراً دور از ذهن که گربه های نیمه جان و نیمه زنده را احضار می کند  به روشهای بسیار ظریف تری از آنچه فکر می کنیم به ذهن ما می خواهد رسید.