Quantum problems

💗 قلب مکانیک کوانتومی

🔹 آزمایش دو شکاف یکی از آزمایش های علمی بسیار قدیمی و معروف است که، از بیش از ۲۰۰ سال گذشته تاکنون، همواره فهم ما را از طبیعت متحول کرده است. از قرن ۱۷ میلادی اختلاف نظری دربارۀ ماهیت نور وجود داشت. نیوتن معتقد بود که نور، مانند اجسام فیزیکی، از ذرات گوی مانند تشکیل شده است. اما هویگنس نور را با استفاده از مفهوم موج توصیف میکرد. در آن زمان، نظر نیوتن غالب بود و تا حدود ۱۰۰ سال این مسئله دربارۀ ماهیت نور در هاله ای از ابهام باقی ماند، تا اینکه آزمایش دوشکاف یانگ در سال ۱۸۰۱ انجام شد و خاصیت موجی نور را تایید کرد.

🔹 در اوایل قرن ۲۰ بود که اینشتین مجدد توصیف ذره ای نور را به نحوی دیگر وارد مفاهیم فیزیک کرد و با معرفی فوتون به عنوان کوانتای انرژی نور، یکی از پایه های اصلی نظریۀ کوانتوم را بنا کرد. در ۱۹۲۴ یک دانشجوی فرانسوی به عنوان رسالۀ ‌دکتری خود ایدۀ انقلابی را در این مورد مطرح کرد. لویی دوبروی از خودش سوال مهمی پرسید: اگر نور، که فکر میکردیم یک موج است، میتواند مانند ذره باشد، ‌پس چرا ذراتی مثل الکترون نتوانند مانند موج رفتار کنند؟ ایدۀ دوبروی به قدری عجیب به نظر میرسید که به سختی توانست از آن دفاع کند، اما حمایت اینشتین باعث شد که او دکترای خود را در ۱۹۲۴ بگیرد و پنج سال بعد نیز جایزۀ نوبل را ببرد. در دهۀ ۷۰ میلادی، مجدد این آزمایش دو شکاف بود که بر روی خاصیت موجی ذرات صحه گذاشت و برای اولین بار طرح تداخل موجی تک الکترون در این آزمایش دیده شد.

🔹 پس از اولین مشاهدۀ طرح موجی ذرات در آزمایش دو شکاف، تاکنون آزمایش های بنیادی بسیاری بر پایۀ ‌این ستاپ طراحی و انجام شده است (برای مثال آزمایش پاکسازی تاخیری اطلاعات کوانتومی را در اینجا ببینید). این آزمایش به قدری پر مفهوم و مهم است که به قول ریچارد فاینمن «قلب مکانیک کوانتومی را درخود جای داده است» و هنوز هم در اکثر کتاب های پایه کوانتوم برای توضیح مفاهیم این نظریه از این آزمایش استفاده می کنند. با این حال، با وجود اینکه بیش از ۱۰۰ سال است که از پیدایش نظریۀ کوانتوم میگذرد، همچنان رمز و رازهای بسیاری در پایه های این نظریه وجود دارد و فیزیکدانان دربارۀ ‌معنای آن اتفاق نظری با یکدیگر ندارند (ببینید). همچنین وجود بیش از ۱۸ تعبیر و نظریۀ ‌جایگزین برای کوانتوم (که همگی تاکنون آزمایش های کوانتومی را به درستی توجیه کرده اند) شاهدی بر این مدعاست (ببینید).

🔹 وجود معضلات بنیادی و چالش های عمیق کوانتوم باعث شده است که عده ای از فیزیکدانان برجسته صریحا آن را متناقض و غیر قابل دفاع بدانند (برای مثال مکاتبۀ ما با بنیانگذار نظریه GRW را در اینجا ببینید) و عده ای دیگر چون واینبرگ علاوه بر آن معتقدند که «درحال رفتن به سمت انقلابی در علم، مشابه گذار از فیزیک کلاسیک به کوانتوم، هستیم.» (ببینید) از اینرو اگر بتوان از میان این تعداد زیاد از تعابیر و نظریات بدیل تعدادی را به بوتۀ آزمایش گذاشت، کمک بسیار بزرگی در فهم ما از پدیده های کوانتومی و تسریع در این تحول علمی خواهد بود.

🟢 ما نیز در مقالۀ ‌اخیرمان تلاش کردیم تا نشان دهیم که می توان باز هم از آزمایش معروف دوشکاف برای فهم عمیق تر پدیده های کوانتومی بهره برد. ما با استفاده از معضل زمان در کوانتوم (ببینید) چیدمانی جدید از آزمایش دو شکاف را پیشنهاد نمودیم، و با محاسبات و تحلیل های عددی نشان دادیم که تعابیر و نظریات بدیل کوانتومی، در مورد طرح تداخل فضا-زمانی ذرات در این آزمایش سازگاری ندارند. با توجه به پیشرفت های تداخل سنجی اتمی در دهه های اخیر، نشان دادیم که ابعاد این طرح ها به گونه ای است که می توان با تکنولوژی های موجود نیز این اختلافات را مشاهده کرد. در ادامۀ ‌این پژوهش، در مقالۀ دیگر (که نسخۀ اولیه آن را می توانید در اینجا ببینید)، با استفاده از فرمالیزم بوهمی برای ذرات درهم تنیده، طرح تداخل ناموضعی در زمان رسیدن ذرات در آزمایش جفت دوشکاف پیشبینی شده است. امیدواریم با انجام این آزمایش ها در آینده ای نزدیک، نوری بر روی این مسئلهٔ ۱۰۰ ساله بیافتد و درک ما از بنیان های کوانتوم کمی غنی تر گردد.