موفقیت فیزیکدانان در تولید چندین «بچه‌گربه» شرودینگر

فیزیکدان اتریشی، اروین شرودینگر، سال‌ها پیش ایده آزمایش ذهنی گربه شرودینگر را مطرح کرد تا مگر نشان بدهد اطلاق قوانین مکانیک کوانتومی به پدیده‌های ماکروسکوبیک، به نتایج غیرمنطقی و چرندی خواهد انجامید. اما فیزیکدانان امروز، به همان نتایج غیرمنطقی رسیده‌اند.

ایده بر این مبنا بود که اگر یک ماده رادیواکتیو (مثل قطعه‌ای اورانیوم)، یک حسگر حساس به واپاشی مواد رادیواکتیو، یک چکش، یک شیشه پر از گاز سمی و نهایتاً یک گربه را درون یک جعبه سربسته بگذاریم، به‌طوریکه به‌محض واپاشی ماده رادیواکتیو، حسگر مربوطه چکش را به شیشه سم بزند و آن را بشکند، از آنجا که در بهترین حالت تنها می‌توان لحظه «احتمالی» وقوع واپاشی را با استفاده از قوانین مکانیک کوانتوم استنباط کرد، هرگز به قطعیت نمی‌توان گفت که در فلان لحظه به‌خصوص آیا واپاشی صورت گرفته و گربه مرده است یا نه؛ مگر از طریق باز کردن در جعبه و تماشای مستقیم شرایط. مدعای شرودینگر این بود: از آنجاکه نمی‌توان تصور کرد که گربه‌ای همزمان هم مرده و هم زنده باشد (یعنی چیزی که نظریه کوانتوم تحت هر شرایطی، با درجات مختلفی از احتمال تحویلمان می‌دهد)، بنابراین نمی‌توان قوانین کوانتومی را هم به جهان اشیای روزمره تسرّی داد.

اما هم‌اکنون دو تیم مستقل از فیزیکدانان روسی و سوئیسی، با حفظ قوام رابطه چندصدمیلیون فوتون نور مرئی در ابعاد ماکروسکوپیک با یک فوتون منفرد از طریق پدیده‌ای موسوم به همبستگی کوانتومی (Quantum Entanglement) عملاً موفق به بازسازی شرایطی همان‌قدر نامتعارف شده‌اند که انگاری یک گربه را هم مرده داشته باشیم و هم زنده. البته به‌گفته ست للوید (Seth Lloyd)، فیزیکدان کوانتومی انیستیتو فناوری ماساچوست، «این همبستگی به ابعاد چیزی شبیه یک گربه هم نیست؛ اما دست‌کم به اندازه یک بچه گربه هست!».

نتایج این بررسی که اخیراً در دومین کنفرانس بین‌المللی فناوری‌های کوانتومی در شهر مسکو ارائه شد، حکایت از این دارد که قوانین مکانیک کوانتومی را می‌توان به اشیایی بس بزرگ‌تر از آنچه فکرش را می‌کنیم، تسری داد – و البته چنین قابلیتی، کاربردهای عملی بسیار هم دارد.

البته همین‌که در جهان پدیدارهای روزمره نمی‌توان هیچ دو گربه یا هر شیء دیگری را در وضعیت همبستگی کوانتومی دید، ذهن فیزیکدان را به این سؤال مشغول داشته که قلمرو قوانین کوانتومی تا کجا، و چرا امتداد می‌یابد. الکساندر لووفسکی (Alexander Lvovsky)، فیزیکدان دانشگاه کالگری کانادا و همچنین متخصص مرکز کوانتومی روسیه در شهر مسکو، که ترتیب کنفرانس مذکور را داده بود، در این‌باره می‌پرسد: «آیا هیچ مرزی بین میکرو و ماکرو وجود دارد؛ یا اینکه مکانیک کوانتومی در هر مقیاسی صدق می‌کند؟».

آزمایشات پیشین، همه سعی داشتند این سؤال مهم را با تولید اشیای کوانتومی هرچه‌بزرگتر پاسخ بدهند. مثلاً تکه‌الماس‌های ۳-میلیمتری که در همبستگی کوانتومی واقع شده بودند و یا طبلکی به ابعاد یک دانه شن که به‌وضوح از اصل عدم قطعیت پیروی می‌کرد؛ اصلی که می‌گوید نمی‌توان در آن واحد، هم مکان و هم تکانه یک ذره کوانتومی را مشخص کرد.

اما لووفسکی و همکارانش با جرأت بیشتری دل به دریا زدند و برای پیاده‌سازی طرحی که می‌توانست ابعاد بس گسترده‌تری را پوشش بدهد، از یک آینه نیمه‌شفاف برای اعمال شرایطی متشکل از آمیزه دو وضعیت کوانتومی بر یک فوتون استفاده کردند – یکی شرایطی که در آن، فوتون از آینه انعکاس پیدا می‌کرد، و یکی هم شرایطی که در آن، از میان آینه می‌گذشت. سپس این تیم از چند پرتوی لیزر، به‌منظور تقویت یکی از این دو وضعیت استفاده کرد – به‌طوریکه قاعدتاً می‌شد این فوتون‌ها را با چشم غیرمسلح هم دید، هرچند که در محدوده طیفی نور مرئی واقع نمی‌شدند. فیزیکدانان سپس انبوه فوتون‌ها را دوباره به همان وضعیت تک‌فوتونه اول برگرداندند. محاسبات حکایت از این داشت که وضعیت همبستگی کوانتومی، حتی با وجود خروج موقّت یکی از دو حالت موجود از ابعاد میکروسکوپی، کماکان برقرار مانده بود.

به‌گفته پژوهش‌گران، این نخستین باری‌ست که بین یک وضعیت میکروسکوپیک و ماکروسکوپیک حالت همبستگی کوانتومی مشاهده می‌شود. همان‌طور که در آزمایش ذهنی گربه شرودینگر، حالت همبستگی را می‌توان بین اتم و گربه سراغ گرفت، در آزمایش لووفسکی هم می‌توان همین همبستگی را بین یک فوتون منفرد و مجموعه‌ای از صدهامیلیون فوتون دیگر یافت. به‌گفته وی، «دستاورد ما این بوده که تابه‌حال همه توانسته بودند این وضعیت را تنها در حضور چند فوتون ایجاد کنند، و ما توانستیم آن را با ۱۶۰ میلیون فوتون انجام دهیم».

نیکولاس گیسین (Nicolas Gisin) و همکارانش از دانشگاه ژنو سوئیس هم در همین اثناء، با ادوات آزمایشی نسبتاً متفاوتی به نتایج مشابهی رسیدند. با این وجود هر دو تیم اذعان کرده‌اند که هنوز راه زیادی تا تکرار همین آزمایش بر روی یک گربه واقعی مانده. به‌قول لووفسکی، چنین کاری به هرصورت اقدامی «غیرانسانی» ست.

منبع: NewScientist