دانشمندان آزمايش ذهنی دو شكاف اینشتین را ايجاد كردند!

15
661

بیگ بنگ: فيزيكداناني از مرکز سينكروترونِ* SOLEIL در فرانسه با استفاده از شتاب دهنده ذرات توانستند بهترین موقعيت را براي درك آزمايش ذهنی كه نخستين بار در سال 1927 توسط آلبرت اينشتين پيشنهاد شده بود، انجام دهند. به نظر می رسد اینشتین در جدال با بور شکست خورده است.

تصویری از شتاب دهنده ی ذرات SOLEIL در فرانسه
تصویری از شتاب دهنده ی ذرات SOLEIL در فرانسه

به گزارش انجمن فیزیک ایران، در نوعي از آزمايش بسيار محبوب دو شكافي، اندازه‌گيري‌ها جنبه‌اي از نظريه‌ي كوانتومي كه اينشتين در صدد نامعتبر كردنش بود را تائيد مي‌كنند. این آزمایش به جاي دو شكافيِ آزمايش اينشتين، از دو اتم برانگيخته استفاده مي‌كند و نشان مي‌دهد كه هرگاه بتوان تعيين كرد از كدام اتم يك الكترون تابش كرده است، طرح تداخلي كوانتومي ناپديد مي‌شود. اينشتين چندين بار تلاش كرد تا عدم قطعيت ذاتي در مكانيك كوانتومي را با مطرح كردن آزمايشاتي فرضي كه در آن زمان قابل انجام در آزمايشگاه نبودند، رد كند. يكي از آن‌ها شامل اصل دوگانگي موج-ذره مي‌شد كه پيش‌بيني مي‌كند دنباله‌اي از تك ذرات كه از دو شكاف عبور می کنند، طرح پراشي موج‌گونه را روي پرده ايجاد خواهند كرد. اين اثر به علت خاصيت موج‌گونه‌ي هر ذره است كه به آن اجازه مي‌دهد همزمان از هر دو شكاف عبور كند.

اينشتين مي‌گفت، يك حسگر فوق العاده حساس مي‌تواند اثرات شكافي كه الكترون از آن عبور كرده را بدون اينكه طرح تداخلي را برهم بزند آشكار كند. اين به نوعي ايستادن در برابر مكانيك كوانتومي بود و رقيب بزرگ اينشتين، نيلز بور، با اين بحث كه اگر آزمايشگر بداند الكترون از كدام شكاف گذشته است اصلاً طرح تداخلي رخ نخواهد داد و با آن مخالفت میكرد.

در حالي كه آزمايش مذكور در آن زمان بدلیل ساده بودن مفهوم و در عين حال دشواري‌ تجربي‌اش كاملاً فرضي بود، همین نکات آزمايشگران امروزي را به طرز مقاومت ناپذيري به چالش كشيده است. در سال 2001، سرگ هاروچ (Serge Haroche) و همكارانش در پاريس اين اصل را نشان دادند. آن‌ها براي شكافتن حالت داخلي تعدادي اتم ريدبرگ به دو حالت مختلف كه قبل از باز تركيب شدن با آهنگ‌هاي متفاوتي ظاهر مي‌شدند، از پالس مايكروويو استفاده كردند. بعد از آن در 2011، جورج اشميدماير Jorge Schmiedmayer و همكارانش در دانشگاه صنعتي وين به تقريب نزديكتري دست يافتند.

آزمايش دو-اتمي

اكنون، كاتالين ميرن و همكارانش در شتاب دهنده ذرات SOLEIL با همراهاني از سوئد، فرانسه و روماني به بازآفريني آزمايش فرضي اصلي بسيار نزديك شده‌اند. آن‌ها از يك مولكول دو اتمي اكسيژن كه توسط تابش سينكروتروني و قابل تنظيمِ پرتوي ‌X در خط باريكه‌ي PLÉIADES برانگيخته شده است، استفاده مي‌كنند. با تنظيم انرژي پرتوي X، محققان مي‌توانند يك الكترون را تحريك كنند تا از مدار مولكولي داخلي به يك حالت مقيد با انرژي زياد يا به يك حالت دفعي كه منجر به واپاشي مولكول مي‌شود برود. بعد از اين گذار، يكي از اتم‌ها، الكترون ديگري به نام الكترونِ آگر (Auger electron) تابش كرده و در اين حين پس زده مي‌شود. اگر الكترون اول به حالت مقيد رفته باشد، دوباره به حالت پايه‌ي مولكولي برمي‌گردد و موقع رها شدن الكترون آگر، دو اتم با هم پس زده مي‌شوند.

اين يعني اندازه‌گيري پس زنيِ اتم‌ها هيچ چيز در مورد اينكه كدام اتم الكترون را تابش كرده است نمي‌گويد. اما اگر الكترون به حالت دفعي رفته باشد، مولكول واپاشی می کند و دو تك اتم اكسيژن ايجاد مي‌كند. چناچه الكترون آگر بعد از واپاشي مولكول آزاد شود، اتم‌ها ديگر با هم پس زده نمي‌شوند و اندازه‌گيري پس زني اتم‌ها مشخص خواهد كرد كه الكترون از كدام اتم تابش شده است. لذا، اين دو اتم نقش شكاف‌هاي آزمايش فرضي را بازي مي‌كنند و آزاد شدن الكترون مانند بيرون آمدن ذره از دو شكافي است. اگر پس زني اتم ها با هم باشد، نمي‌دانيم الكترون از كدام شكاف گذشته است- اما اگر فقط يكي پس زده شود، آنگاه مي دانيم كدام شكاف مورد استفاده قرار گرفته است.

به جاي پرده،‌ تيم تحقيقاتي از دستگاه دست ساز منحصر به فرد و بسيار حساسي به نام EPICEA استفاده کرد كه هر سه مولفه‌ي تكانه را هم در الكترون تابش شده و هم در اتم پس زده شده‌ي اندازه مي‌ گرفت. ميرن مي‌گويد: «اين در واقع چيزي بود كه من براي رساله دكتراي خودم بيست سال پيش ساختم».

اينشتين باز هم اشتباه كرد

با مرتبط كردن انرژي الكترون آزاد شده به زاويه‌ي بين تابش الكترون و محور مولكول دو اتمي در تعداد زيادي برخورد فوتون-مولكول، پژوهشگران به طور الكترونيكي «طرح تداخلي» را باز توليد كردند. با نگاه كردن به جابجايي داپلريِ يون پس زده شده، محققان همچنين توانستند با محاسبه نشان دهند که آيا يك يا هر دو اتم پس زده می شوند. وقتي دو اتم با تداخل زیاد غیر قابل تشخیص بودند، نوارهاي تداخلي ايجاد مي شدند (شكل را ببينيد). در حالي كه وقتي به وضوح معلوم بود كه تابش از کدام اتم آمده است، باند پيوسته اي به وجود مي‌آمد كه اثري از نوارهاي تداخلي در آن ديده نمي‌شد. نتايج با تقريب خوبي با محاسبات سطح بالاي نظري در توافق است- و بار ديگر نشان مي‌دهد كه تعبير درست از آزمايش فرضي متعلق به بور است.

نظريه و آزمايش: الكترون آگر در عمل
نظريه و آزمايش: الكترون آگر در عمل

جورج اشميدماير اين كار را «نمايش زيبايي از يك اثر بسيار بنيادي» مي‌نامد و توضيح مي‌دهد كه با اينكه در اصل «فيزيكِ آزمايش هاروچ و آزمايش ما دقيقاً يكي است اما تاكنون در ساير مقالات، شكاف، فوتون يا چيزي شبيه به آن بوده است. در اينجا شما دو ذره‌ از ماده داريد كه دو شكافيت را تشكيل مي‌دهند. اين‌ها گام‌هايي است كه ما را به پيشنهاد اصلي اينشتين و بور نزديك و نزديكتر مي‌كند». اين تحقيق در Nature Photonics توضيح داده شده است.

در سال 2002، خوانندگانِ Physics World به آزمايش دو شكافي با الكترون‌ها به عنوان «زيباترين آزمايش» راي دادند.

*سینکروترون ( synchrotron) که اولین بار توسط لوییس آلوارز ابداع شد، نوعی از شتاب دهنده ذرات به شکل یک حلقه دایره‌یی است که با کمک میدان های الکتریکی و مغناطیسی، تابش الکترومغناطیسی تولید می کند ذراتی که با سرعتی نزدیک به سرعت نور در یک محیط الکترومغناطیسی حرکت می‌کنند، در جهت حرکتشان، نوری منتشر می‌کنند که تابش سینکروترون یا نور سینکروترون نامیده می‌شود.

ترجمه: مریم ذوقی / منبع: physicsworld



ارسال یک پاسخ

لطفا دیدگاه خود را وارد کنید!
لطفا نام خود را در اینجا وارد کنید

این سایت از اکیسمت برای کاهش هرزنامه استفاده می کند. بیاموزید که چگونه اطلاعات دیدگاه های شما پردازش می‌شوند.

15 دیدگاه‌ها

  1. شما متاسفانه آنچه را که گفتم ؛ گویا متوجه نشدید…
    دقیقا هیچ نظریه نهایی “مطلق، قطعی” وجود نخواهد داشت.. قضیه ناتمامیت گودل …فقط آن نظریه نهایی “بشری” خواهد گفت: از این بیشتر نمیشه جلو رفت، من ناقصم، و حقیقت وجود دارد…
    فرمایش آقای اینشتین هم کاملا درسته…ایشون فردی رئالیسم هستند و نه پوزیتیویسم-حس مسلک- ایشون همیشه اشاره میکرد که “حقیقت” جدا و ماورای “واقعیت” است..بنابراین بجای واژه قطعی همان “حقیقت” را قرار دهید تا جمله معنا پیدا بکنه و منظورشون رو دریافت کنید…یعنی:ریاضی (یا اندیشه بشری) فقط در واقعیت (ظواهر حقیقت، جهان مصور) حق جولان دارد…. نتایج علمی مورد انتظار دانشمندان نیز به همین موضوع استناد میکند که اشاره شد. واقعیت مجبور است به حقیقت تکیه کند، پس آن در نهایت شکوه نیز ناقص است. حقیقت؛ قطعی، 100درصد و متکی به ذات است…این شعار نهایی نظریه نهایی “واقعیت” خواهد بود؛ یا همان چیزی که از همه بیشتر اهمیت دارد ما بدانیم!
    وسلام

    • اینکه از این بیشتر نمیشه جلو رفت ، دلیل لازم برای قبول “حقیقت؛ قطعی، ۱۰۰درصد و متکی به ذات است”
      اما به هیچ وجه دلیل کافی نیست!
      وسلام

  2. اینو هم بگم که نظریه نهایی قطعا کوانتمی باید باشد، زیرا ما هیچگاه نمیتوانیم پیچیدگی عمیق و پنهان جهان رو دقیق پیش بینی کنیم…ولی تفاوتی که با مفهوم امروزی از کوانتوم خواهد داشت این خواهد بود که، بعد از توجیه بسیاری از پدیده های لاینحل، خودش به روشنی اذعان میکنه که ناقصه و حقایقی در منتهای شگفتی در پس پرده هست که ماورای اندیشه ی انسانی استimponderable…به قول بعضی از دانشمندان که کارهایی در زمینه گرانش کوانتمی کردن و مقالهاشونو خوندم…مفاهیمی nonevident,nonlocal و عمیقا متفاوت با مفاهیم جاری و تعمق انسانی، که بکلی فیزیک ما را درهم میریزد و از عهده ی ریاضیات خارج است را برای اداره ی جهان لازم میداند…و این یعنی تسلیم نهایی

    • پایان راه علم به هیچ وجه در پس یک نظریه واحد نهفته نیست بلکه در پس قانونی نهفته است که آن قانون به طور اجتناب ناپذیری” ناقص” است.
      «قوانین ریاضی در جایی که به واقعیت مربوط میشوند قطعی نیستند و وقتی قطعی باشند به
      واقعیت مربوط نمیگردند .»(گفته اینشتین )
      این ساده لوحانست که ما قبول کنیم پایان راه علم نظریه ای باشد که با توجه به “کامل” بودنش، قطعا باید آن نظریه را کسانی درک کنند که از سواد فیزیک و ریاضی خیلی بالایی برخوردار هستند!!!
      مهم نیست که ما همه چیز را بدانیم،مهم آن است که آن چیزی که از همه بیشتر اهمیت دارد را ما بدانیم.

  3. تمام نتایج کوانتوم احتمالی است، حتی وقتی که برای یک ذره اونو بکار بگیریم، که هر چه مسئله ساده تر بشه-مثلا چاه پتانسیل محدود با کمینه جزئی-باز چون تابع موج احتمال نسبت میده هرگز قطعیتی در کار نخواهد بود…این در حالی است که ذره، ذره است و قطعا باید قطعیتی در کار باشه…پس این نشون میده که حتما ذره با محیط اطرافش بطرز “خارق العاده ای” در اندرکنشه و ما انسانها به دلیل محدودیت نبوغ و دانشمون نمیتونیم مسیر حرکت ذره رو پیش بینی کنیم…دقیقا به خاطر همین طرز فکر حقیقت گرایانه بود که مثلا اینشتین نظریه متغییرهای پنهان رو ارائه داد و البته بد نیست اشاره بشه که نظریه بی نهایت بودن ذرات حسابی رو هم از بین یکصد پایان نامه، بسیار ارزشمند و انقلابی می دانست “البته بقول خودش درصورتی که ما رو به جوابهای متقارن و امیدبخش رهنمون کنه”…خلاصه اینکه اگر مکانیک آماری را مطالعه کرده باشید بطور بنیادی پی خواهید برد که مکانیک کوانتومی همان مکانیک آماری است که منتها یه کم -پیازداغشو- بیشتر کردن….
    در ضمن حتی ثابت پلانک نیز کلاسیکی است که بصورت ترکیب عجیبی از ثوابت فیزیکی در تحیل آماری تابش جسم سیاه قابل محاسبه است…

  4. خیلی آزمایش محشرییه؛ اینکه دو شکاف یانگ رو بیایی در ابعاد اتم ها با کلک فوق العاده عالیه الکترون اوژه (َAuger) انجام بدی….اگه از من پیش از انجام آزمایش می پرسیدن نتیجه چی میشه؟ قطعا پاسخم بوهر بود. معلومه، چون الکترون “خیلی ” بزرگه، بایستی حتما در ابعاد نوترینو صورت بگیره که اونوقت حق با انیشتین خواهد بود؛ جهان بسیار بسیار پیچیده تر از این حرفاست که به “consciousness” ما آدما اهمیت بده (یعنی تفسیر کپنهاک)! حق همیشه با نابغه ی بیستم خواهد بود…
    میشه بگید اینشتین بازم کجا اشتباه کرده بوده (قبلا)، که حالا این دومیشه!
    با تشکر

    • اینشتین در طول عمرخود اشتباه می کرد.(بنابراین انتظار ندارید بعد از آن اشتباه کند!!!)
      نمونه اش درک نادرست از ثابت کیهانی موجود در نسبیت عام بود.

      • اولنش ثابت کیهانشناختی رو بخاطر دانشمندان آن زمان که علاقمند به
        جهان ایستا بودن وارد کرد مگه نه نسبیت عام جهان پویا رو به ذات پیش بینی میکنه و خودش دلش نمیومد…ثانیا همین ایده رو الانشم با وجود انرژی تاریک کنار نذاشتن…
        بعدشم اینکه، البته، شکست پل پیروزیه و من نمیگم ایشون اشتباه نمیکرد…اگه بارها اشتباه نمیکرد به جایی نمیرسید…بحثم روی نظریاتشه که هنوز رد نشدن…و بخصوص
        اینقد که ایشون روی ناقص بودن کوانتوم در تحلیل “حقیقت” بنیان جهان تاکید میکرد، ابای از کنار گذاشته شدن نسبیت عامش نداشت و حتی بارها اونو اعلام میکرد که ناقصه…ندایی درونی (حاصل از پیوند عمیق علمی که با جهان داشت و انو بر پایه اصول بدیهی شگفتی میدید) ایشون رو تا اخرین دقایق عمرش برای پیچاندن طومار “آماری” کوانتوم برای رسیدن به نظریه ی همه چیز جبرگرا ، پیش میراند.

        • تمامی جنبه های نظریه کوانتوم “آماری”نیستند،اتفاقا برخی جنبه های آن قطعی و با دقت بالا هستند.(مانند زمان پلانک که می گوید زمانی کوچکتر از ده به توان منفی 44 ثانیه وجود ندارد.)
          بعد اینکه مکانیک کوانتومی پدیده‌های فیزیکی را از مقیاس میکروسکوپی بررسی می کند،در صورتی که ما اشیا ماکروسکوپی هستیم،وکسی هم حکم نکرده اینکه از نظر ما که دیدمان نسبت به جهان ماکروسکوپیکه و از نظرما آماری بودن غلط است، حتما هم باید از نظر میکروسکوپیک وضعییت به همین ترتیب باشد!

    • نتيجه آزمايش هيچ رابطه اى با ابعاد و اندازه ذره نداره. هر گاه اطلاعاتى در مورد مسير ذره ى پرتاب شده در هر جايى از اين جهان وجود داشته باشه رفتار ذره به صورت ذره اى و اگه هيچ اطلاعاتى در مورد مسير ذره وجود نداشته باشه رفتارش به صورت موجى ميشه. ضمنا انيشتين در مورد entanglement هم اشتباه کرده بود.