كوچك‌ترين آزمايش دو شكاف جهان

The world's smallest double slit experiment

 

To perform the experiment a supersonic jet of hydrogen (source at bottom) is ionized by a beam of x-rays from the Advanced Light Source (not shown). The doubly photoionized molecule blows apart and the protons (red) strike the detector at left while  ...

 

براي انجام آزمايش، فوران فراصوتي از هيدروژن (چشمه آن در پايين) را پرتوهاي X ناشي از چشمه‌ي نور پيشرفته (نشان داده نشده است) يونيده مي‌كردند. مولكول‌هاي دو بار يونيده از هم دور مي‌شوند و پروتون‌ها (قرمز) به آشكارساز طرف چپ برخورد مي‌كردند، در حالي كه الكترون‌ها (آبي) در ميدان مغناطيسي گير مي‌افتادند و به آشكارساز طرف راست برخورد مي‌كردند. انرژي تمام ذرات و ستمگيري اوليه مولكول را مي‌توان از نتايج اندازه‌گيري به دست آورد. 

 

جهان بزرگ مقياس فيزيك كلاسيك كاملاً ملموس به نظر مي‌رسد. در اين جهان، امواج به صورت امواج هستند و ذرات به شكل ذرات. ماه، چه كسي به آن نگاه كند و چه كسي به آن نگاه نكند، طلوع مي‌كند؛ اوضاع در جهان كوچك كوانتومي كاملاً متفاوت است: ذرات به صورت امواج هستند (وبرعكس) و دستگاه‌هاي كوانتومي تا  وقتي كه اندازه‌گيري روي آن‌ها انجام نشود و وادار به انتخاب – مثلاً مكان دقيق يا يگانه‌ي الكترون- نشود چند احتمالي باقي مي‌ماند كه به معناي تأثير ناظر جهان بزرگ مقياسي بر آن‌هاست.

 

در چه مقياسي جهان كوانتومي و جهان كلاسيك با يك‌ديگر برخورد مي‌كنند؟ اين «ناظر» چه‌قدر مي‌تواند بزرگ باشد؟ اين پرسشي بنيادي است كه مدت‌ها هم ازنظر علمي و هم ازنظر عملي مورد توجه بوده است و پيامد‌هاي قابل توجهي در تلاش براي ساخت رايانه‌هاي كوانتومي حالت‌ جامد دارد.

 

          پژوهشگران بخش انرژي آزمايشگاه ملي لورنس بركلي [1] و همكارانشان در دانشگاه فرانكفورت، آلمان؛ دانشگاه ايالتي كانزاس و دانشگاه اوبرن [2] اكنون نشان داده‌اند كه ذرات در مقياسي به كوچكي يك مولكول هيدروژن رفتار كلاسيك از خود نشان مي‌دهند. آن‌ها پس از انجام آن‌چه ساده‌ترين- و بدون شك كوچك‌ترين- آزمايش دو شكاف است به اين نتيجه‌گيري رسيدند. در اين آزمايش به جاي «دو شكاف» از هسته‌هاي پروتون در مولكول هيدروژن به فاصله‌ي 4/1 يكاي اتمي (چندده ميليارديم متر) استفاده شده است. نتايج آن‌ها در شماره نوامبر 2007 مجله‌ي ساينس چاپ شده است.

 

آزمايش دو شكاف

          علي بلكاسم از بخش علوم شيميايي آزمايشگاه بركلي و يكي از پژوهشگران برجسته مي‌گويد «يكي از توانمند‌ترين روش‌هاي اكتشاف در جهان كوانتومي، آزمايش دو شكاف است.» در شكل متداول اين آزمايش نور از يك چشمه به دو شكاف مي‌تابد كه در كنار هم روي يك پرده‌ي مات قرار دارند؛ نور پس از عبور از اين شكاف‌ها بر يك پرده فرود مي‌آيد.

 

          اگر هر يك از اين دو شكاف بسته باشد، نوري كه از يك شكاف مي‌گذرد مانند جرياني از توپ‌هاي پينگ‌پنگ يا هر نوع ذرات جامد ديگر به پرده برخورد مي‌كند و نوار روشني را روي آن به‌وجود مي‌آورد اما اگر هر دو شكاف باز باشند، بر هم نهي باريكه‌ها، درست مثل امواج آب، فريزهاي تداخلي را به‌وجود مي‌آورد و نوارهاي روشن در محل تقويت ستيغ‌هاي موج در نوارهاي تاريك در محل خنثي شدن آن‌ها تشكيل مي‌شود.

 

          نور ذره است يا موج؟ اين معماي مربوط به معني آزمايش‌هاي اوليه‌ي دو شكاف (اولين آزمايش ثبت شده در سال 1801 انجام شد) تا اواسط قرن بيستم حل نشد. در اين هنگام از آزمايش و نظريه‌ي مكانيك كوانتومي معلوم شد كه نور هر دو ويژگي موجي و ذره‌اي را دارد و علاوه بر آن، ذرات از جمله الكترون‌ها هم داراي سرشت موجي هستند.

 

          تورسين وبر [3] يكي ديگر از پژوهشگران اين آزمايشگاه مي‌گويد «اين سرشت موجي الكترون‌هاست كه به آن‌ها امكان مي‌دهد در مولكول هيدروژن به صورت همبسته عمل كنند». وقتي دو ذره بخشي از يك دستگاه كوانتومي باشند، بر هم‌كنش‌هاي آن‌ها منحصر به مثلاً الكترومغناطيسي يا گرانشي نخواهد بود- حتي وقتي به فاصله‌ي دلخواه از هم قرار دارند- داراي همدرسي كوانتومي نيز شده و در اطلاعات مربوط به حالت‌هاي غيرموضعي خود شريك مي‌شوند.»

 

          همبستگي بين الكترون‌ها در واقع همان چيزي است كه فوتويونش دوگانه در مولكول هيدروژن را امكان‌پذير مي‌سازد. فوتو يونش پديده‌اي است كه در آن يك فوتون پرانرژي، در اين مورد پرتو X ، الكتروني را از اتم يا مولكول بيرون مي‌اندازد و باعث مي‌شود كه دستگاه داراي بار خالص (يونيده) شود، در فوتو يونش دوگانه يك فوتون باعث گسيل دو الكترون مي‌شود.

 

          وبر توضيح مي‌دهد كه «فوتون فقط به يك الكترون برخورد مي‌كند اما چون الكترون‌ها همبسته و به لحاظ كوانتومي به هم مربوط هستند، الكتروني كه با آن برخورد صورت مي‌گيرد در يك جهت با تكانه‌ي خاص به حركت در مي‌آيد و الكترون ديگر نيز با تكانه‌اي متفاوت در زاويه‌اي معين حركت مي‌كند.»

 

          چون ترتيب آزمايشي كه بلكاسم و وبر و همكارانشان به كار بردند، متحرك بود، اين آزمايش در محل باريكه‌هاي نور 0/4 و 0/11 چشمه‌ي نور پيشرفته‌ي (ALS)[4] آزمايشگاه بركلي مورد استفاده قرار گرفت. در اين وسيله جرياني از گاز هيدروژن به ناحيه‌ي برهم‌كنش فرستاده مي‌شود. در آن‌جا باريكه پرتو X از ALS به بعضي مولكول‌ها برخورد مي‌كند. وقتي دو الكترون منفي از يك مولكول خارج شود، دافعه‌ي متقابل بارهاي مثبت پروتون‌ها (هسته‌هاي اتم هيدروژن) باعث دور شدن آن‌ها از يك‌ديگر مي‌شود. يك ميدان الكتريكي در ناحيه‌ي برهم‌كنش دستگاه ذرات داراي بار مثبت و منفي را از هم جدا مي‌سازد و پروتون‌ها را به يك آشكارساز و الكترون‌ها را به آشكارسازي در جهت مخالف آن مي‌فرستد.

 

          بلكاسم مي‌گويد «در آن‌چه آزمايش به لحاظ سينماتيكي كامل ناميده مي‌شود و آزمايشي است كه در آن هر ذره به حساب آورده مي‌شود. مي‌توانيم تكانه‌ي همه‌ي ذرات ستمگيري اوليه و فاصله‌ي بين پروتون‌ها و تكانه‌ي الكترون‌ها را تعيين كنيم.»

 

ساده‌ترين آزمايش دو شكاف چه چيزي را نشان مي‌دهد؟

          وبر مي‌گويد «در انرژي‌هاي زيادي كه براي فوتو يونش به كار برديم، در اغلب اوقات يك الكترون سريع و يك الكترون كند را مشاهده كرديم. چيزي كه به آن علاقه‌مند بوديم، نقش‌هاي تداخل بود.»

          اگر الكترون‌ها را ذره درنظر بگيريم، بسته به انرژي و چگونگي پراكنده شدن آن‌ها از دو هسته‌ي هيدروژن (دو شكاف) با زاويه‌هاي متفاوت نسبت به هم به حركت در مي‌آيند. اگر الكترون‌ها را موج درنظر بگيريم، نقش تداخلي را به‌وجود مي‌‌آورند كه مي‌توان آن را با محاسبه‌ي احتمال يافتن الكترون در حمل خاص نسبت به دو هسته مشاهده كرد.

 

          سرشت موجي الكترون به معناي آن است كه حتي يك الكترون در آزمايش دو شكاف مي‌تواند با خودش تداخل كند. آزمايش‌هاي دو شكاف با مولكول‌هاي هيدروژن فوتو يونيده در ابتدا فقط نقش‌هاي خود- تداخلي الكترون‌هاي سريع را نشان مي‌داد كه انواع آن‌ها از هر دو پروتون كمانه مي‌كردند و الكترون‌هاي كند نقش چنداني نداشتند.

 

          به گفته‌ي وبر «از اين نقش‌ها شايد اين طور به نظر برسد كه الكترون‌هاي كند اهميتي ندارند و فوتو يونش دوگانه چندان تماشايي نيست. انرژي الكترون‌هاي سريع 185 تا eV190 و انرژي الكترون‌هاي كند eV5 يا كم‌تر بود اما اگر به الكترون‌هاي كند اندكي بيش‌تر انرژي بدهيم، مثلاً چيزي بين 5 تا eV25 و آن‌ها را فعال‌تر ساخته و به يك «ناظر» تبديل كنيم چه اتفاقي مي‌افتد؟

 

          تا جايي كه الكترون‌ها از محيط اطراف خود مجزا باشند، همان طور كه نقش تداخل موج‌گونه الكترون‌هاي سريع نشان مي‌دهد، همدوسي كوانتومي حكمفرماست اما وقتي الكترون كند به ناظر الكترون سريع و جانشيني براي محيط بزرگ‌تر تبديل شود، نقش تداخل ناپديد مي‌شود. دستگاه كوانتومي الكترون سريع اكنون با جهان وسيع‌تري (يعني، ذره‌ي همسايه مجاور خود، الكترون كند) بر هم‌ كنش مي‌كند و همبستگي ازبين مي‌رود. دستگاه وارد قلمروي فيزيك كلاسيك شده است.

 

          بلكاسم مي‌گويد .اما جوهر آزمايش اين است كه اين همبستگي كاملاً ازبين نمي‌رود چون حتي وقتي نقش تداخل‌ ناپديد شده است، مي‌توان ديد كه همدوسي هنوز وجود دارد و در رابطه‌ي بين دو الكترون پنهان است.»

          گرچه يكي از الكترون‌ها با محيط درگير شده است اما دو الكترون هنوز به گونه‌اي باهم درگيرند كه امكان بازسازي تداخل بين آن‌ها صرفاً با ترسيم تكانه‌هاي همبسته‌ي آن‌ها از زاويه‌هايي كه الكترون‌ها پرتاب شده‌اند، وجود دارد. دو شكل موج در نمودار ظاهر مي‌شود كه با تصوير كردن هر يك از آن‌ها مي‌توان يك نقش تداخل به دست آورد اما اين دو شكل موج، ناهمفازند و وقتي هم‌زمان به آن‌ها نگاه كنيم، تداخل ازبين مي‌رود.

 

          اگر دستگاه دو الكترون به زير دستگاه‌هايش تجزيه شود و يكي از آن‌ها (ناظر) را محيط ديگري درنظر بگيريم، معلوم مي‌شود كه ويژگي‌هاي كلاسيك مانند فقدان همدوسي حتي وقتي فقط چهار ذره (دو الكترون، دو پروتون) وجود داشته باشند، نمايان مي‌شود. حال چون دو زير دستگاه الكترون به صورتي مهار شدني درگيرند، همدوسي كوانتومي آن‌ها را مي‌توان بازسازي كرد. چيزي كه وبر آن را «تداوم چگونگي تبادل اطلاعات بين ذرات» مي‌نامند.

 

          بلكاسم مي‌گويد «براي پژوهشگراني كه مي‌خواهند رايانه‌هاي كوانتومي حالت جامد بسازند. اين هم خبر خوبي است و هم خبر بد، خبر بد از بين رفتن همبستگي و اتلاف اطلاعاتي است كه در مقياس بسيار كوچك يك مولكول هيدروژن رخ مي‌دهد. خبر خوب آن است كه به لحاظ نظري، اين اطلاعات الزاماً از بين نمي‌روند يا دست كم كاملاً ازبين نمي‌روند.»

 

ترجمه: دكتر منيژه رهبر

مرجع

 

 

[1] -Lowrence Berkeley, National Laboratory

[2] - Auburn University

[3] - Thersten Weber

[4] - Advanced Light Source