دانش > دانش‌های بنیادی  - با آزمایش‌های جدید، حوزه نفوذ مکانیک کوانتوم به مولکول‌های خیلی بزرگ هم کشیده شده و مولکول‌های بزرگ هم می‌توانند دوگانگی موج- ذره‌ای نظریه کوانتوم یا همان آزمایش فرضی گربه شرودینگر را نشان دهند.

مجید جویا: پژوهشگران در اتریش چیزی را ساخته‌اند که خود به آن «چاق‌ترین گربه شرودینگر دیده شده تاکنون» می‌گویند. آنها سوپرپوزیشن کوانتومی (که در آن، یک ذره می‌تواند در آن واحد، در دو حالت قرار داشته باشد) را برای مولکول‌هایی به نمایش گذاشتند که هر یک از 430 اتم تشکیل شده بودند؛ یعنی چندین برابر بزرگ‌تر از مولکول‌های مورد استفاده در آزمایش‌های قبلی.

به گزارش نیچر، در آزمایش ذهنی مشهوری که در سال 1935 توسط اروین شرودینگر ترتیب داده شده بود تا پارادوکس‌های ظاهری نظریه کوانتوم را توضیح دهد، بسته به وضعیت اتم (قوانین کوانتوم وضعیت اتم را مشخص می‌کنند)، یک گربه می‌توانست، همزمان هم مسموم شده باشد و هم نشده باشد. از آنجا که نظریه کوانتوم الزام می‌داشت که این قوانین، سوپرپوزیشن را ممکن سازند، به نظر می‌رسید که گربه شرودینگر می‌توانست همزمان در ترکیبی از دو حالت «زنده» و «مرده»، وجود داشته باشد.

این پارادوکس، این سوال را به ذهن متبادر ساخت که چگونه و در چه زمانی، قوانین دنیای کوانتوم (که در آنها چیزهایی مانند اتم‌ها می‌توانند در آن واحد در چندین وضعیت وجود داشته باشند) با مکانیک کلاسیک جایگزین می‌شوند که دنیای ماکروسکوپی تجربیات هر روزه ما را مدیریت می‌کنند، دنیایی که در آن هر چیزی تنها یک وضعیت دارد و نمی‌تواند در آن واحد در دو حالت متفاوت قرار داشته باشد. به این حالت، گذار کوانتوم به کلاسیک گفته می‌شود.

عموما گمان بر این است که «کوانتیدگی» در فرایندی که گسستگی نام دارد گم می‌شود، فرایندی که در آن آشفتگی در محیط پیرامونی، تابع موج کوانتومی را که توضیح‌دهنده بروز سوپرپوزیشن‌های چندحالتی است، وامی‌دارد تا به یک حالت مشخص کلاسیک فروبپاشد. هر چقدر که جسم بزرگ‌تر باشد، تمایل به گسستگی بیشتر می‌شود، چرا که احتمال تعامل با محیط بیرون بیشتر می‌شود.

یک جلوه انطباق کوانتومی، تداخلی است که می‌تواند بین ذرات کوانتومی که از میان دو یا تعداد بیشتری از شکاف‌های باریک رد می‌شوند، رخ دهد. در دنیای کلاسیک، ذرات بدون تغییر مسیر حرکت خود عبور می‌کنند، مانند توپ‌های فوتبالی که از میان یک دروازه عبور می‌کنند. ولی ذرات کوانتوم می‌توانند مانند امواج رفتار کنند، و هنگامی که از شکاف عبور می‌کنند با یکدیگر تداخل کنند، و یکدیگر را یا تقویت و یا خنثی کنند تا یک سری نوارهای تاریک و روشن ایجاد کنند. این تداخل ذرات کوانتومی، که اولین بار در سال 1927 / 1306 در الکترون‌ها دیده شد،‌ نتیجه عبور یک ذره از بیش از یک شکاف است:‌ یک سوپرپوزیشن کوانتومی.

هنگامی که ابعاد آزمایش بزرگ‌تر می‌شود، در یک نقطه رفتار کوانتومی (تداخل) باید جای خود را به رفتار کلاسیک (بدون تداخل) بدهد. ولی این ذرات را چقدر می‌توان بزرگ کرد بدون این که این گذار رخ دهد؟

بزرگ کردن
در سال 1999 / 1378، گروهی در دانشگاه وین، با استفاده از پرتوهایی از مولکول 60 اتمی کربن که به شکل یک کره توخالی بود، تداخل را یک آزمایش با شکاف‌های متعدد نشان دادند. اکنون مارکوس ارنت، یکی از پژوهشگرانی که در آزمایش قبلی شرکت داشت، و همکارانش از اتریش، آلمان، ایالات متحده و سوئیس، اثر مشابهی را نمایش دادند؛ آن هم با استفاده از مولکول‌های بسیار بزرگ‌تری که فقط به این منظور ساخته شده بودند و با داشتن 430 اتم، تا 6 نانومتر پهنا داشتند. این‌ها حتی از برخی از مولکول‌های پروتئین، (مانند انسولین) هم بزرگ‌تر هستند.

در آزمایش این گروه، پرتوهای نور از میان سه سری شکاف می‌گذرند. اولین شکاف، از یک قطعه نیترید سیلیکون ساخته شده که روی آن، شبکه‌ای از شکاف‌هایی به پهنای 90 نانومتر ایجاد شده تا مولکول‌ها را به حالت گسسته‌ای ببرد که در آن، تمام موج‌های ماده، هماهنگ با هم هستند. دومی، یک «شبکه مجازی» با استفاده از نور لیزر است و در آن، چند آینه نور لیزر را به گونه‌ای می‌تابانند که موج ایستایی از نور و تاریکی ایجاد شود، این شکاف، الگوی تداخل را ایجاد می‌کند. شبکه سوم، که آن هم از جنس نیترید سیلیکون است، مانند یک ماسک عمل می‌کند تا قسمت‌هایی از الگوی تداخل را به یک طیف‌سنج جرمی چهار قطبی هدایت کند، که تعداد مولکول‌هایی را که از آن می‌گذرند می‌شمرد.

پژوهشگران این آزمایش، در مقاله‌ای که در نیچر منتشر شده، گزارش داده‌اند که هنگامی که پرتوی خروجی از چپ به راست پیمایش می‌شود، این تعداد به طور منظم بالا و پایین می‌رود، امری که نشان‌دهنده تداخل است و به تبع آن می‌توان گفت که سوپرپوزیشن اتفاق افتاده است.

با وجود این که این آزمایش خیلی شبیه به آزمایش کلاسیک گربه شرودینگر به نظر نمی‌رسد، به دنبال اثرات کوانتومی مشابهی می‌گردد. این آزمایش مانند این است که خود گربه‌ها را به شبکه‌های تداخل شلیک کنیم، به جای این که سرنوشت یک گربه را به یک رخداد مقیاس اتمی وابسته کنیم.

مارتین پلنیو، پژوهشگر فیزیک کوانتوم از دانشگاه اولم آلمان، این تحقیق را بخشی از یک خط پژوهشی مهم می‌داند: «شاید ما با این آزمایش، به درک عمیق و جدیدی از طبیعت نظریه کوانتوم نرسیده باشیم، اما این امید وجود دارد که با بهبود روزافزون شیوه‌های آزمایش، بتوانیم در نهایت چیز جدیدی را کشف کنیم».

به گفته آرنت، چنین آزمایش‌هایی باید در نهایت امکان آزمایش جنبه‌های بنیادین نظریه کوانتوم را فراهم کنند، مانند این که چگونه با مشاهده، تابع موجی فرو می‌پاشد: «باید در آزمایش‌های آینده دور، پیش‌بینی‌هایی از قبیل این که جاذبه بعد از یک مرز جرمی مشخص شامل فروپاشی تابع موجی است یا نه، در جرم‌هایی به مراتب بیشتر از این، قابل انجام شوند».

آیا موجودات زنده، (شاید نه گربه‌ها، ولی موجودات ذره‌بینی مانند باکتری‌ها) را می‌توان در حالت انطباق کوانتومی قرار داد؟ این کار برای ویروس‌ها انجام شده است، (البته کوچک‌ترین آنها که تنها چند نانومتر پهنا دارند) هرچند در مورد این که ویروس‌ها باید موجود زنده تلقی شوند یا نه، وجود ندارد. آرنت می‌گوید: «در چنین آزمایش‌هایی، استفاده از مولکول‌های ساخته شده دانشمندان خیلی ساده‌تر از کار با ویروس‌ها است». ولی وی این را نیز می‌افزاید که اگر بتوان به همه مسائل تکنیکی متعدد آن (که کم هم نیستند) پرداخت، «من دلیلی نمی‌بینم که نتوان این کار را انجام داد».

50171